2016年2月激光干涉引力波天文臺(LIGO)工作的科學(xué)家宣布首次發(fā)現(xiàn)引力波時創(chuàng)造了歷史。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實了愛因斯坦廣義相對論一個世紀(jì)的預(yù)言，也證實了恒星雙星黑洞的存在——這是一開始就產(chǎn)生了信號。現(xiàn)在由麻省理工學(xué)院天體物理學(xué)家卡爾·羅德里格斯領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組進行了一項研究，表明黑洞可能會多次合并。根據(jù)他們的研究，這些“第二代合并”很可能發(fā)生在球狀星團中，這是大而緊湊的星團，通常在星系的邊緣運行，而這些星團中有成千上萬顆恒星。

這是模擬照，顯示了一個在稠密星團中心形成的雙星黑洞。圖片：Northwestern Visualization/Carl Rodriguez

該研究題為《密集星團中的后牛頓動力學(xué)“高度偏心”、高度旋轉(zhuǎn)和重復(fù)的雙黑洞合并》，最近發(fā)表在《物理評論快報》上。這項研究由麻省理工學(xué)院物理學(xué)和Kavli天體物理與空間研究所的Pappalardo研究員Carl Rodriguez領(lǐng)導(dǎo)，包括空間科學(xué)研究所的成員和天體物理學(xué)(CIERA)的跨學(xué)科探索和研究中心。正如Carl Rodriguez在麻省理工學(xué)院最近一篇新聞稿中解釋的那樣：我們認(rèn)為這些星團由成百上千個黑洞組成，這些黑洞在中心迅速下沉。

這些類型的星團實際上是黑洞雙星的工廠，在那里有很多黑洞，在一個空間的小區(qū)域，兩個黑洞可以合并，產(chǎn)生一個更大的黑洞。然后那個新的黑洞可以找到另一個同伴并再次合并。自17世紀(jì)天文學(xué)家首次觀測到球狀星團以來，它一直是人們關(guān)注的焦點。這些球狀星團是宇宙中已知的最古老的恒星之一，在大多數(shù)星系中都能找到。根據(jù)星系的大小和類型，星系團的數(shù)量是不同的，橢圓星系承載著成千上萬的星系，而像銀河系這樣的星系有超過150個。

多年來羅德里奎茲一直在研究球狀星團內(nèi)黑洞的行為，以觀察它們與黑洞的相互作用是否與黑洞的相互作用不同，黑洞在空間中占據(jù)的密度更小。為了驗證這一假設(shè)，羅德里格斯和他的同事利用西北大學(xué)Quest超級計算機對24個星團進行了模擬。這些星團的大小從20萬到200萬顆，覆蓋了不同的密度和金屬成分。這些模擬模擬了這些星團中單個恒星在120億年的演化過程。這段時間足夠跟隨這些恒星相互作用，最終形成黑洞。

合并雙黑洞的概念圖，圖片：LIGO/A. Simonnet.

模擬還模擬了黑洞形成后的演化和軌跡。羅德里格斯解釋說：最妙的是，因為黑洞是這些星團中最龐大的物體，它們會下沉到中心，那里有足夠高的黑洞密度形成雙星。雙星黑洞基本上就像星團里的巨大目標(biāo)，當(dāng)向它們?nèi)悠渌诙椿蚝阈菚r，會經(jīng)歷這些瘋狂的混亂的碰撞。之前的模擬是基于牛頓物理學(xué)，研究小組決定將愛因斯坦的相對論效應(yīng)加入到對球狀星團的模擬中。

這是因為引力波不是由牛頓的理論預(yù)測的，而是由愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測的。正如羅德里格斯指出的，這讓他們看到了引力波是如何起作用的：過去人們所做的是把這當(dāng)作一個純粹的牛頓問題。牛頓的引力理論在所有案例中占99.9%。為數(shù)不多的情況下,它不可能當(dāng)你工作兩個黑洞呼嘯而過彼此緊密，通常不會發(fā)生在大多數(shù)星系……在愛因斯坦的廣義相對論。

在那里可以發(fā)出引力波，一個黑洞附近經(jīng)過另一個時能發(fā)出引力波微小的脈沖。這可以從系統(tǒng)中減去足夠的能量，兩個黑洞實際上會被束縛，然后它們就會迅速合并。

構(gòu)想顯示了兩個合并的黑洞，與LIGO在2017年1月4日發(fā)現(xiàn)的黑洞相似，圖片：LIGO/Caltech

他們觀察到在星團內(nèi)部，黑洞相互融合，形成新的黑洞。在之前的模擬中牛頓引力預(yù)測大多數(shù)雙星黑洞在合并之前會被踢出星團。但通過考慮相對論效應(yīng)，羅德里格斯和他的研究小組發(fā)現(xiàn)，近一半的雙黑洞合并形成了更大的黑洞。正如羅德里格斯解釋的那樣，那些被合并的人和被踢出去之間的區(qū)別是：

如果兩個黑洞在合并時旋轉(zhuǎn)，它們所產(chǎn)生的黑洞就會像火箭一樣，在一個單一的方向上發(fā)射出引力波，形成一個新的黑洞，它能以每秒5000公里的速度噴射出來——所以，瘋狂的快。它只需要幾十到幾百千米每秒才能逃脫其中一個星團。這又引出了另一個有趣的事實，即之前的模擬，天文學(xué)家認(rèn)為任何黑洞合并的產(chǎn)物都將被趕出星團，因為大多數(shù)黑洞被假定為快速旋轉(zhuǎn)。然而最近從LIGO獲得的引力波測量結(jié)果似乎與此相矛盾，后者僅檢測到低自旋的雙黑洞合并。

兩個黑洞合并的概念圖，圖片：Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS

然而這種假設(shè)似乎與LIGO的測量相矛盾，LIGO迄今為止只檢測到低自旋的雙黑洞。為了驗證這一點，羅德里格斯和他的同事們在模擬中降低了黑洞的自旋率。他們發(fā)現(xiàn)從星團中近20%的黑洞至少有一個黑洞，從50到130太陽質(zhì)量不等。從本質(zhì)上說，這表明這些是“第二代”黑洞，因為科學(xué)家們相信這個質(zhì)量不能由一個恒星形成的黑洞來實現(xiàn)。羅德里格斯和他的團隊預(yù)計，如果LIGO在這個范圍內(nèi)探測到一個物體，那么它很可能是黑洞在密集的恒星群內(nèi)合并而不是從單個恒星的結(jié)果。

如果等待的時間足夠長，那么最終LIGO將會看到一些只能來自這些星團的東西，因為它比你從一顆恒星得到的任何東西都要大，在前100個LIGO探測中，LIGO將會探測到這個上面的質(zhì)量差距。對引力波的探測是一項歷史性的成就，它使天文學(xué)家能夠進行新的令人興奮的研究?？茖W(xué)家們已經(jīng)通過研究他們合并的副產(chǎn)品，對黑洞有了新的認(rèn)識。在未來的幾年里，我們可以期待學(xué)到更多的東西，感謝改進方法和加強天文臺之間的合作。

博科園-科學(xué)科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考：MIT, Physical Review Letters