A Possible Triple Formation Scenario of Binary Black Hole Merge With One In Pair-instability Supernova Mass Gap
本文提出了一种孤立的分级三体恒星演化通道，该通道涉及由潮汐同步驱动的化学均匀演化以及随后的三体共同包层阶段，用以解释具有高有效自旋且原初质量处于对不稳定超新星质量间隙内的双黑洞并合现象的起源，并能解释该质量范围内约22%的观测率。
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想象一下，将宇宙视为一个巨大的宇宙建筑工地，恒星在这里诞生、生存并最终消亡。通常情况下，当一颗大质量恒星死亡时，它会留下一个黑洞。但这些黑洞的尺寸存在一个奇怪的“禁区”，被称为对不稳定超新星（PISN）质量间隙。
你可以把这个间隙想象成建筑蓝图上的一个“禁止施工区”。标准物理学认为，如果一颗恒星太大（在约45到130倍太阳质量之间），它就不会仅仅坍缩成一个黑洞。相反，它应该发生极其剧烈的爆炸，将自己彻底炸碎，最后什么都不剩。因此，在这一尺寸范围内发现黑洞，就像是在“禁止施工区”的正中央发现了一座摩天大楼。它本不该在那里，然而我们的望远镜（LIGO）却已经观测到了好几个。
本文提出了一个巧妙的三部分解决方案，来解释这些“禁忌”黑洞是如何被建造出来的。
问题：消失的黑洞
科学家们探测到了来自黑洞碰撞产生的引力波（时空的涟漪）。其中一些碰撞涉及到一个处于那个禁忌“禁止施工区”内的原初黑洞。标准的单星或简单双星演化理论无法解释为什么这些巨大的物体能在没有发生爆炸的情况下幸存下来。
解决方案：宇宙中的“三人舞”
作者们建议，这些黑洞并非孤身出生，也不是仅由两颗星组成，而是诞生于三体系统之中。他们提出了一个涉及三颗恒星的特定演化舞蹈，这解决了这个谜团。以下是故事的步骤：
1. 紧凑的挤压（化学均匀演化）
想象两颗诞生得非常靠近的大质量恒星，它们紧紧地握着手，几乎贴在一起。因为它们如此接近，它们像花样滑冰运动员收拢手臂一样，互相带动旋转。
- 类比： 把它们想象成两名舞者，旋转得如此之快，以至于它们的内部物质完全混合了。在普通恒星中，核心燃烧燃料而外层保持冷却，但在这些恒星中，由于旋转得极快，氢燃料被混合到了整颗恒星之中。
- 结果： 这种“混合”（称为化学均匀演化）防止了恒星膨胀成巨大的、臃肿的气球。相反，它们保持着小巧且紧凑的状态，高效地燃烧燃料。它们跳过了“巨星”阶段，直接变成了紧凑的双星黑洞系统。因为它们配合得如此完美，所以在形成时不会被甩开。
2. 累赘（第三颗伴星）
现在，想象第三颗恒星就在附近，从较远的距离绕着这对双星运行。这就是这个系统中的“第三者”。
- 类比： 最终，这第三颗恒星变老了，开始膨胀，就像一个正在充气的气球。它变得如此巨大，以至于撞入了内层双星的轨道。
- 结果： 这种碰撞触发了一个被称为**三重共同包层（Triple Common Envelope）**的混沌事件。第三颗恒星的外层（包层）吞噬了内层的双星。这就像是一个巨大而混乱的拥抱。当内层双星在气体中游泳时，摩擦力减慢了它们的速度，导致它们向内螺旋靠近。
3. 盛大的终局（合并）
“拥抱”产生的摩擦力如此剧烈，以至于迫使内层的两颗黑洞极快地撞击在一起。
- 结局： 它们合并成了一个单一的超大质量黑洞。因为最初的两颗黑洞是同卵双胞胎（质量相同）且旋转步调一致，这次碰撞非常平稳，以至于新形成的黑洞并不会被踢出系统。它就完美地停留在原地，成为了我们所看到的那个“禁忌”黑洞。
为什么这很重要
作者们对这种“三人舞”进行了详细的计算机模拟。他们发现：
- 它是行得通的： 这一过程自然地创造出了处于那个禁忌尺寸范围内的黑洞。
- 它符合数据： 他们模型中创造出的黑洞属性（它们的质量和自转速度）与诸如 GW190706 等真实事件的数据几乎完全吻。
- 它不是唯一途径： 他们计算出，这种特定的“三体”方法解释了大约 22% 的观测到的“禁忌”黑洞合并事件。这是一个巨大的比例，但也为其他方法（例如在拥挤的星团中发生恒星碰撞）留下了解释剩余部分的余地。
核心结论
本文认为，宇宙拥有一个秘密捷径。通过让三颗恒星以特定的方式相互作用——两颗旋转得如此之快以至于保持紧凑，以及第三颗强行促使它们合并——我们可以制造出标准物理学认为不该存在的黑洞。这是一个宇宙漏洞，它允许这些庞然大物在通常会摧毁它们的爆炸中幸存下来。
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