近日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了中国科学院紫金山天文台范一中研究员领衔联合团队的最新研究成果。该团队利用引力波探测器阵列LIGO-Virgo-KAGRA的GWTC-4观测数据，首次从种群统计层面获得了活动星系核（AGN）吸积盘内发生双黑洞“层级并合”的坚实观测证据。这一发现为解答宇宙中大质量黑洞的起源与演化之谜提供了关键线索。

自引力波天文学诞生以来，质量介于几十至上百倍太阳质量的双黑洞是如何形成的，一直是天体物理学界的重大未解之谜。它们主要来自大质量恒星的直接坍缩（第一代黑洞），还是由先前并合后的遗留黑洞再次发生碰撞（即“层级并合”）？更为关键的是，这类并合过程发生于何种天体物理环境？

活动星系核（AGN）吸积盘作为双黑洞并合的理想场所，长期以来备受关注。AGN不仅具备促使黑洞频繁相撞的“高密环境”，还拥有独特的“富气体环境”。一方面，高密环境能促使黑洞发生重复并合，产生质量突破“对不稳定超新星质量间隙”（PISN mass gap）、自旋高达0.7以上的第二代甚至多代黑洞，从而区别于宇宙中普遍存在的孤立双星演化；另一方面，富气体环境（吸积盘）中的气体阻力与拖拽力，会迫使黑洞的自旋方向与吸积盘方向趋于一致（如图1所示），这与星团环境中黑洞自旋各向同性（随机分布）的特征截然不同。此外，双黑洞在AGN吸积盘中并合还极有可能伴随电磁对应体的产生。然而，至今为止一直缺乏确切的观测证据。

基于上述因素，研究团队将寻找AGN吸积盘通道证据的突破口，锁定在双黑洞的“自旋倾角分布”上。团队选取了GWTC-4目录中满足阈值条件的153起双黑洞并合事件，创新性地采用了一种灵活的、以数据为驱动的非参数混合种群模型（flexible, data-driven population model）。该模型在同一框架内联合描述了黑洞的质量、自旋大小以及自旋取向，能够精准捕捉参数间的内在关联，从而有效识别出潜在的物理子种群。

研究结果明确揭示了当前引力波样本中存在两类截然不同的黑洞子种群（如图2所示）。第一类子种群表现为低自旋（峰值约0.2）和较低质量（上限约65倍太阳质量），整体特征与大质量恒星坍缩形成的第一代黑洞相符。而第二类子种群则展现出令人瞩目的特征：它们不仅质量分布宽广，延伸至150倍太阳质量以上（填补了理论预言的对不稳定超新星质量间隙），且自旋值极高（典型值约0.8）。最为关键的是，第二类子种群的自旋取向并非随机分布，而是显著偏向与双星轨道角动量“对齐”（如图3所示），统计结果以极高的置信度（对数贝叶斯因子达4.5）排除了各向同性的自旋分布。

这种“高质量+高自旋+自旋对齐”的组合特征，正是AGN吸积盘中黑洞层级并合的典型“统计指纹”。在AGN吸积盘中，气体不仅能有效带走双黑洞的轨道角动量促使其并合，其产生的气体扭矩还能将黑洞的自旋方向“拉平”，使其与轨道角动量对齐。这一发现不仅排除了星团环境主导该类高质量黑洞形成的可能性，还首次从引力波数据中为AGN吸积盘通道提供了坚实的观测证据。研究推算，这类AGN盘驱动的层级并合事件约占当前观测样本的11%。

值得一提的是，就在该论文审稿期间，中国科学院高能物理研究所王建民研究员领衔的团队在类星体PHL 1092中观测到了宽发射线混响延迟现象，表明AGN吸积盘中存在大量恒星级黑洞，为AGN吸积盘上存在并合双黑洞族群提供了多信使天文观测佐证。未来，随着地面引力波探测器灵敏度的进一步提升以及空间引力波探测器的发射运行，有望观测到质量延伸至上万倍太阳质量的黑洞质量平滑分布，从而对AGN吸积盘黑洞组装模型进行更直接的检验。

该研究论文的通讯作者为紫金山天文台范一中研究员；紫金山天文台李银杰博士与浙江工业大学王远瞩副教授为共同第一作者，紫金山天文台唐少鹏副研究员参与合作研究。此项研究得到了国家自然科学基金、新基石科学基金会（探索奖）、中国博士后科学基金，以及中国科学院先导专项等项目的资助。

论文链接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/qyfv-wkv1

图1：双黑洞在活动星系核（AGN）吸积盘中并合示意图。图中显示，黑洞的自旋方向及双星轨道角动量方向均趋于与吸积盘盘面法线方向（或吸积盘整体角动量方向）对齐。

图2：恒星坍缩黑洞与重复并合黑洞的分类图（也见Li等2024, PRL, 133, 051401基于GWTC-3数据的结果https://pmo.cas.cn/xwdt2019/kyjz2019/202408/t20240802_7240168.html）。 上图横坐标为黑洞质量，纵坐标为黑洞自旋；五角星为重复并合黑洞的后验中值，圆点代表恒星坍缩黑洞的后验中值。左下图和右下图分别为两类黑洞的质量分布和自旋分布。

图3：黑洞自旋倾角余弦分布。 蓝色曲线和误差带对应重复并合黑洞样本，其分布在余弦函数为1 处明显成峰，说明自旋倾向于与轨道角动量对齐，暗示（活动星系核吸积盘中）气体在并合中起关键作用。