科学|两个质量不对称的黑洞合并，令研究人员困惑
麻省理工学院研究人员的一项新研究认为 ， 两个黑洞的不平衡合并可能有一个奇怪的起源故事 。
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图注：根据对LIGO数据的重新分析 ， 两个黑洞的不对称合并可能具有奇怪的起源故事 。
这次黑洞合并事件于2019年4月12日首次被发现为引力波 ， 该引力波被LIGO（激光干涉仪引力波天文台）及其意大利对应的Virgo的探测器检测到 。 科学家将信号标记为GW190412 ， 并确定该信号源于戴维和盖利斯两个黑洞之间的碰撞 ， 一个黑洞的质量是另一个黑洞的三倍 。 该信号标志着首次检测到两个大小完全不同的黑洞之间的合并 。
现在 ， 这项新的研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上 ， 表明与一般认为大多数合并或双星形成的方式相比 ， 这种不平衡的合并可能经历了截然不同的过程 。
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两个黑洞中较大的一个本身可能是两个父黑洞之间先前合并的产物 。 在第一次碰撞中旋转出来 ， 在与第二个较小的黑洞合并之前 ， 盖利斯可能围绕一个密集的"核星团"旋转 ， 这是一个喧闹的事件 ， 它使引力波在太空中荡漾 。
GW190412可能是第二代 ， 或"分层"合并 ， 与LIGO和Virgo迄今检测到的其他第一代合并相一而出 。
“这个事件是宇宙扔给我们的一个怪球——我们以前没有观察到过 ， ” 研究合著者 ， 麻省理工学院物理学助理教授 ， LIGO成员萨尔瓦托·维塔莱（Salvatore Vitale）说 ， “但是在宇宙中这算不得什么 。 类似的东西 ， 尽管很少见 ， 我们将再次见到 ， 我们将能够更多地谈论宇宙 。 ”
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【科学|两个质量不对称的黑洞合并，令研究人员困惑】
伯明翰大学的戴维·杰罗萨（Davide Gerosa）和约翰霍普金斯大学的伊曼纽尔·贝蒂（Emanuele Berti）是维塔莱的合著者 。 难以解释
黑洞合并被认为有两种主要方式 。 第一个被称为共同包络过程 ， 其中数十亿年后 ， 两个相邻的恒星爆炸形成两个相邻的黑洞 ， 最终共享一个共同的包络或气体盘 。 又过了几十亿年 ， 黑洞逐渐形成并合并 。
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"你可以这样想 ， 就像一对夫妇一辈子在一起 ， "维塔莱说 ， "这个过程被怀疑发生在像我们这样的星系盘上 。 ”
黑洞合并形成的另一种常见途径是通过动态交互 。 想象一下 ， 在一夫一妻制的环境中 ， 星系般的狂欢 ， 成千上万的黑洞塞满了宇宙的一个小而密集的区域 。 当两个黑洞开始交融时 ， 第三个黑洞可能会在动态相互作用中将这对夫妻分开 ， 这种相互作用可以重复多次 ， 直到一对黑洞最终合并 。
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在普通包络过程和动力相互作用情况下 ， 合并的黑洞应具有大致相同的质量 ， 这与GW190412的质量偏差比例不同 。 它们也应该相对没有自旋 ， 而GW190412具有令人惊讶的高自旋 。
维塔莱说：“最重要的是 ， 这两种情况都是人们传统上认为是宇宙中黑洞双星的理想苗圃 ， 它们难以解释这一事件的质量比和自旋 。 ”黑洞追踪器
在他们的新论文中 ， 研究人员使用了两种模型来表明GW190412不太可能来自于普通的包络过程或动态相互作用 。
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他们首先使用STAR TRACK建模了一个典型星系的演化 ， 这是一个跟踪数十亿年的星系的模拟 ， 从气体的聚结开始 ， 一直到恒星形成并爆炸的方式 ， 然后坍塌成黑洞 ， 最终合并 。 第二个模型模拟球状星团中的随机 ， 动态相遇 ， 即大多数星系周围恒星的密集浓度 。
该团队多次运行了两个模拟 ， 调整了参数并研究了出现的黑洞合并的属性 。 对于那些通过通用信封程序形成的合并 ， 像GW190412这样的合并非常罕见 ， 仅在几百万次事件之后才出现 。 在几千次合并之后 ， 动态交互更可能产生这样的事件 。
但是 ， GW190412仅在其他50次检测后被LIGO和Virgo检测到 ， 这表明它可能是通过其他过程产生的 。
维塔莱说：“无论我们做什么 ， 我们都不能轻易在这些更常见的编队渠道中发生这一事件 。 ”
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分层合并的过程可以更好地解释GW190412的不平衡质量及其高旋转 。 如果一个黑洞是以前两个质量相似的父级黑洞配对的产物 ， 它本身会比任何一个父级黑洞都大 ， 并且后来显著掩盖了其第一代合作伙伴 ， 在最终合并中创造了很高的质量比 。
分层过程也可以产生高旋转的合并：父级黑洞在其混乱的合并中会旋转生成的黑洞 ， 然后将这种自旋带入其自身的最终碰撞中 。
"你做数学运算 ， 结果发现剩下的黑洞会旋转 ， 非常接近这次合并的总旋转 ， "维塔莱解释道 。 无法逃避
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维塔莱表示 ， 如果GW190412确实是通过分层合并形成的 ， 则该事件也可能会阐明其形成的环境 。 研究小组发现 ， 如果先前的碰撞形成了两个黑洞中较大的一个 ， 那次碰撞很可能会产生大量能量 ， 这些能量不仅会旋转出一个新的黑洞 ， 还会将其踢出一定距离 。
维塔莱说：“如果踢得太厉害 ， 它只会离开星团 ， 进入空的星际介质 ， 而无法再次合并 。 ”
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如果该对象能够再次合并（在这种情况下 ， 将产生GW190412） ， 则意味着它所接收到的踢动不足以逃脱形成它的恒星簇 。 如果GW190412确实是分层合并的产品 ， 则团队计算出它应该发生在逃逸速度高于每秒150公里的环境中 。 为了便于观察 ， 大多数球状星团的逃逸速度约为每秒50公里 。
这意味着无论GW190412产生于何种环境 ， 都具有巨大的引力 ， 并且该团队认为 ， 这种环境可能是超大质量黑洞周围的气体盘 ， 也可能是“核星团”（宇宙中难以置信的密集区域）， 里面挤满了数千万颗恒星 。
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“这次合并一定来自一个不寻常的地方 。 ” 维塔莱说 ， “随着LIGO和Virgo继续进行新的探测 ， 我们可以利用这些发现来学习有关宇宙的新事物 。 ”
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