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密集星团可能是黑洞合并很常见的地方

2020.02.14

天文物理

群星璀璨、万物有理

2016年2月激光干涉引力波天文台(LIGO)工作的科学家宣布首次发现引力波时创造了历史。这一发现不仅证实了爱因斯坦广义相对论一个世纪的预言,也证实了恒星双星黑洞的存在——这是一开始就产生了信号。现在由麻省理工学院天体物理学家卡尔·罗德里格斯领导的一个国际研究小组进行了一项研究,表明黑洞可能会多次合并。根据他们的研究,这些“第二代合并”很可能发生在球状星团中,这是大而紧凑的星团,通常在星系的边缘运行,而这些星团中有成千上万颗恒星。

这是模拟照,显示了一个在稠密星团中心形成的双星黑洞。图片:Northwestern Visualization/Carl Rodriguez

该研究题为《密集星团中的后牛顿动力学“高度偏心”、高度旋转和重复的双黑洞合并》,最近发表在《物理评论快报》上。这项研究由麻省理工学院物理学和Kavli天体物理与空间研究所的Pappalardo研究员Carl Rodriguez领导,包括空间科学研究所的成员和天体物理学(CIERA)的跨学科探索和研究中心。正如Carl Rodriguez在麻省理工学院最近一篇新闻稿中解释的那样:我们认为这些星团由成百上千个黑洞组成,这些黑洞在中心迅速下沉。

这些类型的星团实际上是黑洞双星的工厂,在那里有很多黑洞,在一个空间的小区域,两个黑洞可以合并,产生一个更大的黑洞。然后那个新的黑洞可以找到另一个同伴并再次合并。自17世纪天文学家首次观测到球状星团以来,它一直是人们关注的焦点。这些球状星团是宇宙中已知的最古老的恒星之一,在大多数星系中都能找到。根据星系的大小和类型,星系团的数量是不同的,椭圆星系承载着成千上万的星系,而像银河系这样的星系有超过150个。

多年来罗德里奎兹一直在研究球状星团内黑洞的行为,以观察它们与黑洞的相互作用是否与黑洞的相互作用不同,黑洞在空间中占据的密度更小。为了验证这一假设,罗德里格斯和他的同事利用西北大学Quest超级计算机对24个星团进行了模拟。这些星团的大小从20万到200万颗,覆盖了不同的密度和金属成分。这些模拟模拟了这些星团中单个恒星在120亿年的演化过程。这段时间足够跟随这些恒星相互作用,最终形成黑洞。

合并双黑洞的概念图,图片:LIGO/A. Simonnet.

模拟还模拟了黑洞形成后的演化和轨迹。罗德里格斯解释说:最妙的是,因为黑洞是这些星团中最庞大的物体,它们会下沉到中心,那里有足够高的黑洞密度形成双星。双星黑洞基本上就像星团里的巨大目标,当向它们扔其他黑洞或恒星时,会经历这些疯狂的混乱的碰撞。之前的模拟是基于牛顿物理学,研究小组决定将爱因斯坦的相对论效应加入到对球状星团的模拟中。

这是因为引力波不是由牛顿的理论预测的,而是由爱因斯坦的广义相对论预测的。正如罗德里格斯指出的,这让他们看到了引力波是如何起作用的:过去人们所做的是把这当作一个纯粹的牛顿问题。牛顿的引力理论在所有案例中占99.9%。为数不多的情况下,它不可能当你工作两个黑洞呼啸而过彼此紧密,通常不会发生在大多数星系……在爱因斯坦的广义相对论。

在那里可以发出引力波,一个黑洞附近经过另一个时能发出引力波微小的脉冲。这可以从系统中减去足够的能量,两个黑洞实际上会被束缚,然后它们就会迅速合并。

构想显示了两个合并的黑洞,与LIGO在2017年1月4日发现的黑洞相似,图片:LIGO/Caltech

他们观察到在星团内部,黑洞相互融合,形成新的黑洞。在之前的模拟中牛顿引力预测大多数双星黑洞在合并之前会被踢出星团。但通过考虑相对论效应,罗德里格斯和他的研究小组发现,近一半的双黑洞合并形成了更大的黑洞。正如罗德里格斯解释的那样,那些被合并的人和被踢出去之间的区别是:

如果两个黑洞在合并时旋转,它们所产生的黑洞就会像火箭一样,在一个单一的方向上发射出引力波,形成一个新的黑洞,它能以每秒5000公里的速度喷射出来——所以,疯狂的快。它只需要几十到几百千米每秒才能逃脱其中一个星团。这又引出了另一个有趣的事实,即之前的模拟,天文学家认为任何黑洞合并的产物都将被赶出星团,因为大多数黑洞被假定为快速旋转。然而最近从LIGO获得的引力波测量结果似乎与此相矛盾,后者仅检测到低自旋的双黑洞合并。

两个黑洞合并的概念图,图片:Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS

然而这种假设似乎与LIGO的测量相矛盾,LIGO迄今为止只检测到低自旋的双黑洞。为了验证这一点,罗德里格斯和他的同事们在模拟中降低了黑洞的自旋率。他们发现从星团中近20%的黑洞至少有一个黑洞,从50到130太阳质量不等。从本质上说,这表明这些是“第二代”黑洞,因为科学家们相信这个质量不能由一个恒星形成的黑洞来实现。罗德里格斯和他的团队预计,如果LIGO在这个范围内探测到一个物体,那么它很可能是黑洞在密集的恒星群内合并而不是从单个恒星的结果。

如果等待的时间足够长,那么最终LIGO将会看到一些只能来自这些星团的东西,因为它比你从一颗恒星得到的任何东西都要大,在前100个LIGO探测中,LIGO将会探测到这个上面的质量差距。对引力波的探测是一项历史性的成就,它使天文学家能够进行新的令人兴奋的研究。科学家们已经通过研究他们合并的副产品,对黑洞有了新的认识。在未来的几年里,我们可以期待学到更多的东西,感谢改进方法和加强天文台之间的合作。

博科园-科学科普|文:Matt Williams|来自:Universe Today|参考:MIT, Physical Review Letters

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