1、文章导读

引力波天文学让我们得以探测宇宙中最剧烈的天体现象—致密天体的并合。这些事件究竟源自何处？最新研究表明，拥有超大质量黑洞 (SMBH) 和核星团的星系中心可能是重要的产地。意大利帕多瓦大学Manuel Arca Sedda等人在 Universe 期刊上发表的综述，系统阐述了星系核中致密天体双星的形成、演化与并合过程，为理解这些宇宙极端环境中的动力学过程提供了新的视角。

*图1. 星系核生态示意图：核星团通过原位恒星形成及下落星团的质量输运而形成；在其内部区域，多种动力学相互作用可触发致密天体双星的形成；在其他情形下，致密天体双星会迅速合并并释放引力波；另一些情况下，致密天体双星的演化由中心超大质量黑洞的引力场主导，该引力场可对双星轨道偏心率施加周期性振荡，并最终导致其并合。图中描绘的相互作用均为采用ARGdf代码 (见原文Arca-Sedda与Capuzzo-Dolcetta [165]所述) 实施的真实N体数值模拟。*

2、星系核双星的观测证据：银河系测试案例

银河系中心为研究星系核双星系统提供了独特的观测窗口。观测显示，核星团内大质量OB型与沃尔夫-拉叶星的双星比例与场星相当，光谱双星占比约34%。更重要的是，X射线观测揭示了致密天体的富集——银河系中心1秒差距内可能存在超过2万个恒星级黑洞与中子星，呈现显著的密度尖峰分布。这些观测事实为理论模型提供了关键约束。

3、环境、演化与动力学的共同塑造：星系核中的致密天体群体

星系核中致密天体群体的形成是多重物理过程共同作用的结果。核星团通过原位形成和干合并两种机制形成，其中干合并可能输送更多预形成的黑洞。随后，质量分层过程使大质量黑洞通过动力学摩擦快速沉降，形成陡峭的密度尖峰。这一过程为后续的少体相互作用奠定了基础，而超新星爆发的初始反冲速度则在一定程度上影响着中子星的留存比例。

4、多物理过程协同驱动：从双星形成到并合

星系核中致密天体双星的形成与演化由多尺度物理过程协同驱动。在动力学层面，少体相互作用是核心机制：三体散射在核星团外部组建双星，而引力波捕获在SMBH邻近的极高密度区发挥主导作用，直接产生在LIGO/Virgo频段仍保持高偏心率的合并事件。已形成的硬双星通过双星-单体散射进一步硬化，显著加速演化。在宁静星系核中，SMBH的潮汐场通过偏心Kozai-Lidov机制 (EKL) 施加长期影响，能周期性地激发双星轨道偏心率，大幅缩短其引力波合并时标。广义相对论进动、共振弛豫等效应与EKL相互作用，共同决定了合并效率。在活动星系核中，气体盘引入了关键改变：气体动力学摩擦极大增强天体聚集效率，气体捕获成为双星形成的主要通道。盘中的迁移陷阱促进天体聚集，提升相互作用概率，而气体吸积可能改变致密天体的质量与自旋，产生具有独特负有效自旋特征的合并群体。

5、多信使探测下的宇宙双星并合工厂

星系核起源的并合事件具有独特的观测特征：可能落入对不稳定性质量间隙的组分质量、高轨道偏心率、各向同性的自旋分布。这些特征将成为区分形成通道的关键依据。未来，空间引力波探测器 (LISA、DECIGO) 将能捕捉完整的动力学演化信号，甚至直接探测到EKL驱动的轨道振荡。第三代地基探测器 (Einstein Telescope, Cosmic Explorer) 则将以前所未有的精度测量组分质量和自旋。多波段联合观测将最终定量揭示星系核这一宇宙工厂的贡献。

6、总结与展望

星系中心作为宇宙中最复杂的环境之一，其内部致密天体双星的形成与演化涉及恒星演化、动力学相互作用、潮汐场扰动和气体效应等多种物理过程的非线性耦合。尽管当前理论模型在初始条件、物理过程耦合等方面仍存在不确定性，但随着引力波探测样本的扩大和多信使观测的深入，我们正逐步揭开这些宇宙工厂的运作机制。未来发展的自洽数值模拟、更高精度的核区观测以及下一代引力波探测器的投入运行，将共同推动我们对星系核内致密天体并合起源的完整理解。

原论文链接：https://www.mdpi.com/2218-1997/9/3/138

Universe 期刊介绍

主编：Lorenzo Iorio, Ministero dell' Istruzione e del Merito, Italy

期刊涵盖宇宙学、引力、场论、量子力学基础、核物理与粒子物理、天体物理与天文学以及空间科学等研究领域。自2015年创刊以来，被SCIE (Web of Science)、Scopus、ADS等多个权威数据库收录。

2024 Impact Factor: 2.6   

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