Revising the Spin and Kick Connection in Isolated Binary Black Holes

黑洞是宇宙中最极端的物体，诞生于大质量恒星剧烈的坍缩。几十年来，天文学家一直试图理解关于它们的一个特定且顽固的谜团：它们的自旋从何而来？当一颗恒星坍缩时，它通常会旋转得更快，就像花样滑冰运动员收拢双臂一样。主流理论一直是，黑洞只是继承了其母恒星的这种自旋。由于处于联星系统中的恒星通常与其轨道旋转方向一致，该理论预测，由此产生的黑洞也应该与其轨道完美对齐。如果这是事实，它将为天文学家提供一种可靠的方法来判断黑洞是如何形成的。那些在星际间寂静领域中孤独诞生的黑洞应该与其伴侣整齐地同步旋转，而那些在拥挤星团中偶然凑在一起的黑洞则应该以随机的方向旋转。

然而，来自引力波探测器的最新观测结果打破了这一整齐的图景。科学家们探测到了黑洞合并事件，其中的自旋以极大的角度倾斜，甚至相对于轨道反向旋转。这些“失配”的自旋传统上被视为黑洞是在拥挤环境中通过动力学方式组装而成的证据，而非共同诞生的。但一项新研究挑战了这一假设，认为黑洞自旋的故事远比简单的继承要复杂得多。研究人员提出，黑洞的剧烈诞生过程可能涉及扰乱其自旋方向的过程，即使是对于那些在孤立状态下形成的黑洞对，也会产生失配。

由 Vishal Baibhav 和 Vicky Kalogera 领导的研究小组旨在通过探索黑洞获取自旋的四种不同方式来测试这一想法。第一种是传统观点：自旋直接继承自母恒星，保持与轨道对齐。另外三种则是更为混沌的可能性。在一种情景中，自旋是由垂死恒星内部的湍流过程随机产生的，指向任何方向的可能性相等。在第二种情景中，自旋与黑洞诞生时接收到的“踢”（即由于不对称爆炸导致的突然冲量）方向一致。在第三种情景中，自旋指向该“踢”的垂直方向。研究人员利用计算机模拟来建模这些不同的自旋方向在黑洞形成并开始彼此绕转后会呈现出怎样的状态，特别关注了被称为“核坍缩”的剧烈诞生事件是如何使轨道本身发生倾斜的。

他们的模拟显示，旧有的假设——即孤立的联星系统必须具有对齐的自旋——并不一定成立。他们发现，如果黑 hole 的自旋与它诞生时的“踢”方向相关联，或者是由随机过程产生的，那么最终的系统可能会表现出巨大的失配甚至逆行自旋（即黑洞相对于其轨道的旋转方向相反）。这是因为将黑洞推离原位的“踢”同时也使联星系统的整个轨道发生了倾斜。取决于“踢”的力量大小和自旋的方向，最终的结果看起来可能与那些在拥挤星团中偶然凑在一起的系统完全一样，尽管它是在寂静的场域中形成的。

这一发现对于我们如何解读碰撞黑洞的信号具有深远意义。研究表明，存在倾斜自旋或反向自旋转本身并不是一个系统是通过动力学方式组装而成的证据。一个在平静场域中形成的联星系统，如果其诞生的物理过程涉及这些替代机制，很容易就会产生混沌的自旋取向。研究人员利用他们的模型对 LIGO-Virgo-KAGRA 合作组织探测到的 257 个黑洞合并事件进行了对比分析。他们发现，虽然有些事件强烈支持传统的对齐模型，但另一些事件则能更好地由这些替代性的自旋生成理论来解释。特别是其中一个涉及可能的中子星与黑洞的事件，显示出了一个反向自旋，这很难用旧理论来解释，但却能自然地契合新模型。

该论文并未声称已经解决了黑洞自旋之谜，也没有证明孤立联星是所有失配系统的来源。相反，它证明了孤立联星行为的可能性范围比此前认为的要广泛得多。通过放宽“自旋必须继承”这一假设，作者展示了联星起源的“指纹”变得模糊了。天文学家原本希望用来区分场中联星与星团联星的独特特征，并不像曾经认为的那样清晰明确。研究结论指出，要真正了解这些宇宙巨兽的来源，科学家需要观察整体种群，而不是孤立地判断每一个事件，并且必须做好准备，接受黑洞诞生时剧烈的物理过程可能会改写其与伴侣共舞的规则。