物理学家首次在宇宙中观测到了一个“黑洞三重星系”。这个新系统距离地球约8000光年，由一个中心黑洞组成，该黑洞正在吞噬一颗围绕它高速旋转的小恒星。令人惊讶的是，似乎还有第二颗恒星也在围绕中心黑洞旋转，但距离要远得多。这项发现已发表在10月23日《自然》杂志的一项研究中。
击中三重星系
科学家探测到的大多数黑洞似乎都属于一个称为双星系统的组合。这些系统由黑洞和一个次级天体组成，如恒星、更致密的 the neutron star，或另一个黑洞。然后，双星系统相互绕转，并被黑洞的引力吸引在一起。
对于这个新的黑洞三重星系，还有一个额外的天体围绕中心黑洞运行。较近的恒星大约每6.5天绕黑洞运行一次。作者估计，较远的伴星大约每7万年绕黑洞运行一次。
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黑洞似乎对一个如此遥远的天体有引力束缚，这引起了一些关于黑洞自身起源的问题。科学家认为，黑洞是由超新星——一颗垂死恒星的剧烈爆炸——形成的。在超新星爆发期间，一颗恒星在最后一次爆发前释放出巨大的能量和光，然后坍缩成一个看不见的黑洞。
如果这个新观测到的黑洞是由一次典型的超新星形成的，那么它在最终坍缩之前释放的能量会将其外围任何松散束缚的天体踢开。理论上，那颗第二颗外围恒星不应该仍然存在。
该团队认为，黑洞是通过一个更温和的过程形成的——直接坍缩。在直接坍缩过程中，一颗恒星仅仅是向内坍缩形成一个黑洞，而没有最后那种剧烈的爆发。这种温和的起源不会真正扰乱任何松散束缚、遥远的天体。
由于新的三重星系包含一颗非常遥远的恒星，该星系的黑洞可能就是通过这种更温和的直接坍缩过程诞生的。尽管天文学家几个世纪以来一直在观测剧烈的超新星，但这个新的三重星系可能是黑洞从这种更温和过程形成的第一个证据。
“我们认为大多数黑洞是由恒星的剧烈爆炸形成的，但这项发现有助于对此提出质疑，”研究合著者、麻省理工学院物理学家凯文·伯奇（Kevin Burdge）在一份声明中说。“这个星系对于黑洞演化来说非常令人兴奋，它也引发了关于是否还有更多三重星系存在的疑问。”
偶然的发现
这项发现也几乎是偶然的。物理学家们在查看一个包含太空和世界各地望远镜观测数据的存储库——Aladin Lite——时发现了它。他们使用Aladin Lite搜索同一片天空的图像，这些图像由不同望远镜以各种能量和光波长拍摄。
起初，他们正在银河系内寻找新的黑洞迹象。出于好奇，伯奇查看了一张距离地球约8000光年的黑洞V404 Cygni的图像。在1992年，V404 Cygni成为最早被证实为黑洞的天体之一。此后，它已被记录在1300多篇科学论文中，是我们研究最深入的黑洞之一。然而，这些研究中没有一篇报告了这个奇怪的三重星系。
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在观察V404 Cygni的光学图像时，伯奇看到了两个彼此靠近的光斑。第一个光斑是黑洞和一颗靠近它的内部恒星。那颗恒星离黑洞太近了，以至于它将一部分物质释放到黑洞本身，并发出可见光。然而，第二个光斑最有可能来自一颗非常遥远且以前未被观测到的恒星。
“我们能够在如此远的距离看到两颗独立的恒星，这实际上意味着这两颗恒星的距离必须非常非常遥远，”伯奇说。
计算发现，外围恒星距离黑洞3500天文单位（AU）。一个天文单位是地球与太阳之间的距离。因此，外围恒星距离黑洞的距离是我们与太阳距离的3500倍，或者比冥王星与太阳之间的距离大100倍。
然后，该团队质疑外围恒星是否与黑洞及其内部恒星都有联系。为了找到答案，该团队求助于盖亚（Gaia）卫星，该卫星十年来一直在跟踪银河系中所有恒星的运动。他们分析了过去10年盖亚数据中内外恒星的运动，发现与附近的一些恒星相比，这两颗恒星的运动步调一致。根据他们的计算，这种同步运动发生的几率约为千万分之一。
“这几乎肯定不是巧合或意外，”伯奇说。“我们看到了两颗恒星在相互追随，因为它们被这根微弱的引力细线联系在一起。所以这一定是一个三重星系。”
去放飞（宇宙）风筝
然后，该团队想知道这个星系最初是如何形成的。典型超新星的剧烈爆炸很久以前就把那颗外围恒星踢走了。
“想象你正在拉风筝，但你拉的不是一条结实的绳子，而是一张蜘蛛网，”伯奇说。“如果你用力过猛，网就会断裂，你会失去风筝。引力就像这条勉强系着的、非常弱的绳子，如果你对内部双星做了任何剧烈的事情，你就会失去那颗外围恒星。”
为了检验这个风筝线理论，伯奇进行了计算机模拟，以了解这种三重星系是如何演化的并保留了外围恒星。
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在每次模拟的开始，他引入了三颗恒星。第三颗恒星是黑洞，在它成为黑洞之前。然后他运行了数万次模拟。每次模拟都有略微不同的场景，描述第三颗恒星如何可能变成黑洞并影响另外两颗恒星的运动。例如，他模拟了超新星，并改变了能量的大小以及能量传播的方向。他还模拟了直接坍缩的场景，即第三颗恒星向内坍缩形成黑洞，而没有释放任何能量。
“绝大多数模拟表明，让这个三重星系运作的最简单方式是通过直接坍缩，”伯奇说。
这颗额外的外围恒星也揭示了该星系的年龄。该团队观察到，外围恒星正处于变成红巨星的过程中，这是恒星生命末期的一个阶段。他们认为，基于这个转变，外围恒星大约有40亿年历史。由于附近的恒星大约在同一时间诞生，该团队认为这个黑洞三重星系也大约有40亿年历史。
“我们以前从未能为一个古老的黑洞做到这一点，”伯奇说。“现在我们知道V404 Cygni是一个三重星系的一部分，它可能起源于直接坍缩，并且由于这项发现，它大约在40亿年前形成的。”
