研究發現：密集星團可能是黑洞合併很常見的地方

2016年2月激光干涉引力波天文台(LIGO)工作的科學家宣布首次發現引力波時創造了歷史。這一發現不僅證實了愛因斯坦廣義相對論一個世紀的預言，也證實了恆星雙星黑洞的存在——這是一開始就產生了信號。現在由麻省理工學院天體物理學家卡爾·羅德里格斯領導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併。根據他們的研究，這些「第二代合併」很可能發生在球狀星團中，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恆星。

該研究題為《密集星團中的後牛頓動力學「高度偏心」、高度旋轉和重複的雙黑洞合併》，最近發表在《物理評論快報》上。這項研究由麻省理工學院物理學和Kavli天體物理與空間研究所的Pappalardo研究員Carl Rodriguez領導，包括空間科學研究所的成員和天體物理學(CIERA)的跨學科探索和研究中心。正如Carl Rodriguez在麻省理工學院最近一篇新聞稿中解釋的那樣：我們認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，在那裡有很多黑洞，在一個空間的小區域，兩個黑洞可以合併，產生一個更大的黑洞。然後那個新的黑洞可以找到另一個同伴並再次合併。自17世紀天文學家首次觀測到球狀星團以來，它一直是人們關注的焦點。這些球狀星團是宇宙中已知的最古老的恆星之一，在大多數星系中都能找到。根據星系的大小和類型，星系團的數量是不同的，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，黑洞在空間中佔據的密度更小。為了驗證這一假設，羅德里格斯和他的同事利用西北大學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恆星在120億年的演化過程。這段時間足夠跟隨這些恆星相互作用，最終形成黑洞。

模擬還模擬了黑洞形成後的演化和軌跡。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，那裡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，當向它們扔其他黑洞或恆星時，會經歷這些瘋狂的混亂的碰撞。之前的模擬是基於牛頓物理學，研究小組決定將愛因斯坦的相對論效應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測的，而是由愛因斯坦的廣義相對論預測的。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作一個純粹的牛頓問題。牛頓的引力理論在所有案例中佔99.9%。為數不多的情況下,它不可能當你工作兩個黑洞呼嘯而過彼此緊密，通常不會發生在大多數星系……在愛因斯坦的廣義相對論。在那裡可以發出引力波，一個黑洞附近經過另一個時能發出引力波微小的脈衝。這可以從系統中減去足夠的能量，兩個黑洞實際上會被束縛，然後它們就會迅速合併。

他們觀察到在星團內部，黑洞相互融合，形成新的黑洞。在之前的模擬中牛頓引力預測大多數雙星黑洞在合併之前會被踢出星團。但通過考慮相對論效應，羅德里格斯和他的研究小組發現，近一半的雙黑洞合併形成了更大的黑洞。正如羅德里格斯解釋的那樣，那些被合併的人和被踢出去之間的區別是：

如果兩個黑洞在合併時旋轉，它們所產生的黑洞就會像火箭一樣，在一個單一的方向上發射出引力波，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，天文學家認為任何黑洞合併的產物都將被趕出星團，因為大多數黑洞被假定為快速旋轉。然而最近從LIGO獲得的引力波測量結果似乎與此相矛盾，後者僅檢測到低自旋的雙黑洞合併。

然而這種假設似乎與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。他們發現從星團中近20%的黑洞至少有一個黑洞，從50到130太陽質量不等。從本質上說，這表明這些是「第二代」黑洞，因為科學家們相信這個質量不能由一個恆星形成的黑洞來實現。羅德里格斯和他的團隊預計，如果LIGO在這個範圍內探測到一個物體，那麼它很可能是黑洞在密集的恆星群內合併而不是從單個恆星的結果。

如果等待的時間足夠長，那麼最終LIGO將會看到一些只能來自這些星團的東西，因為它比你從一顆恆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量差距。對引力波的探測是一項歷史性的成就，它使天文學家能夠進行新的令人興奮的研究。科學家們已經通過研究他們合併的副產品，對黑洞有了新的認識。在未來的幾年裡，我們可以期待學到更多的東西，感謝改進方法和加強天文台之間的合作。

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

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