通过对一颗垂死恒星的模拟研究，一组理论物理学家发现了通过探测引力波发现的黑洞演化起源和最大质量。激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和室女座干涉引力波天线(VIRGO)对引力波的激发探测表明，在近双星系统中存在合并黑洞。观测到的黑洞在合并前的质量已经被测量过，结果发现其质量比之前预期的要大得多，大约是太阳质量的10倍。
在GW170729这样的事件中，一个黑洞在合并前的观测质量实际上相当于大约50倍太阳质量。但目前还不清楚哪些恒星可以形成这么大质量的黑洞，也不清楚引力波探测器观测到的黑洞最大多少。为了回答这个问题，卡夫利宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）的一个研究小组，由项目研究员梁成智(目前在加州理工学院)、高级科学家野本健一和来访的高级科学家谢尔盖·布林尼科夫(位于摩梭的理论与实验物理研究所教授)组成。
研究了超大质量恒星演化的最后阶段，尤其是近双星系统中80至130倍太阳质量恒星。在近双星系统中，最初80到130倍太阳质量的恒星，失去了它们富含氢的外层包层，变成了40到65个太阳质量的氦星。当初始的所有太阳质量恒星形成富氧核心时，恒星会经历动态脉动，因为恒星内部的温度变得足够高，足以将光子转化为电子-正电子对。这种“成对创造”会使核心不稳定，加速收缩崩塌，在过度压缩的恒星中，氧气会爆炸燃烧。
这会引发恒星的崩塌，然后迅速膨胀。恒星外层的一部分被抛出，而内部冷却并再次坍塌。脉动(塌陷和膨胀)不断重复，直到氧气耗尽。这个过程被称为脉动对不稳定性(PPI)。该恒星形成铁核，最终坍缩成一个黑洞，这将引发超新星爆炸，也就是众所周知的PPI-超新星(PPISN)。通过计算几次这样的脉动和相关的质量抛射，直到恒星坍塌形成黑洞。研究发现，由脉动对不稳定导致超新星形成黑洞的最大质量为52倍太阳质量。
最初质量大于130倍太阳质量的恒星（形成质量大于65倍太阳质量的氦恒星）会经历成对不稳定的超新星过程，这是因为爆炸性的氧气燃烧，完全破坏了恒星，没有黑洞残留物。300倍太阳质量以上的恒星坍塌，并可能形成约150倍太阳质量更大的黑洞。上述结果预测，黑洞质量在52至150个太阳质量之间存在“质量间隙”。结果表明，GW170729中质量为50倍太阳质量的黑洞，极有可能是脉动对不稳定超新星的残留物。
同时还预测，脉动质量损失将形成质量较大的星周介质，因此与黑洞形成相关的超新星爆炸，将导致抛射物质与星周物质发生碰撞，成为超超新星，未来的引力波信号将为检验理论预测提供基础。
博科园｜研究/来自：卡夫里宇宙物理与数学研究所
参考期刊《天体物理学》
DOI: 10.3847/1538-4357/ab4fe5
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