宇宙中14％的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞

2015年首次探测到的引力波为黑洞碰撞产生，而这可能涉及宇宙中14%的大质量恒星

图解：双黑洞和引力波示意图。图源：原文

爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞会形成、甚至相撞。他亦预言了相撞会产生引力波。但这有多常发生？我们又可以推算这涉及多少恒星吗？

范德堡大学的物理学家尝试在最新的研究中，找出其中的答案。

在2015年LIGO（激光干涉引力波天文台）首次探测到引力波后，他们就引领全球步入了天文学的新时代。那些引力波源自约13亿年前两个大质量黑洞的碰撞。这再一次证明了爱因斯坦的理论是对的。

图解：LIGO（位于在美国华盛顿州的激光干涉引力波天文台）。图源：University of Washington

从两个黑洞的第一次碰撞开始，LIGO公布了侦测到的另外四十多个黑洞碰撞，并名其为「双黑洞事件」。其中10项已被确认。首次发现黑洞碰撞的确是件令人兴奋的事，但这种感觉渐渐减退。现在，天体物理学家们提出了不少疑问：

图解：2015年探测引力波的过程，当中包含了两个确认的信号。十月探测到的的太弱所以并不肯定。图源：LIGO

图解：LIGO探测到的其他由黑洞碰撞而发出的引力波。图源：LIGO

「研究员已然可以从理论上解释双黑洞的形成与存在，但它们的前身，即恒星，仍是一个谜。」——范德堡大学的首席作者卡兰·贾尼

卡兰·贾尼是范德堡大学中专门研究黑洞的天体物理学家。他亦是LIGO里有份参与首次检测到引力波的科学家，并以这个项目成为了基础物理学突破奖的共同获奖者。

这项在《天文物理期刊通讯》发表的新研究名为「LIGO黑洞的全球恒星预算」，合著者是哈佛大学天文系主任亚伯拉罕·勒布。

百年前，爱因斯坦在广义相对论中预测了黑洞会并合、并释出引力波。至今，LIGO已探测到不少的双黑洞事件。两条问题就此浮现：恒星演化过程是如何产生这些大质量（>30 太阳质量）黑洞的？在宇宙的寿命中，两个黑洞是如何靠近到可以融合的？

图解：两个黑洞靠近、盘旋、并合的绘图。图源：LIGO

「研究员已然可以从理论上解释双黑洞的形成与存在，但它们的前身，即恒星，仍是一个谜。 」范德堡大学天体物理学家、研究的首席作家卡兰·贾尼说。 「透过这个项目，我们以现有的天体物理学观测结果，对相撞的黑洞进行了一系列鉴识研究。在这个过程中，我们建立了一个基本限制、或者叫预算。它可以告诉我们宇宙中从一开始就注定以黑洞形式相撞的恒星比例。」

LIGO所探测到的首个双黑洞引力波只维持了0.2秒，但碰撞中释放的能量是宇宙中所有可观测恒星之和的50多倍。每一个黑洞大约是30个太阳质量。

LIGO有黑洞并合的相关记载。研究员依靠着这些数据和爱因斯坦的广义相对论去完成他们的研究。他们以LIGO的记录，创建了宇宙时空资源在任何一点的清单。如范德堡大学的新闻稿所说，「他们接着就列出了能解释双黑洞过程中每一步的限制：如宇宙中可用恒星的数目、每一颗恒星演化为黑洞的过程、以及这些黑洞碰撞后的探测——在几亿年后才被LIGO以碰撞释出引力波的方式接收到。

「从现有的观测数据推算，宇宙中约14%的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞。」——范德堡大学的首席作者卡兰·贾尼

研究团队所得出的数字是14%，但这个数字有一些条件。它只能应用于大于30太阳质量的黑洞、还有黑洞间的距离需与它们前身星的直径相若。

图解：大质量恒星示意图。图源：SciTechDaily

自然，这项研究有很多细节。它解释，宇宙中有一个「质量预算」限制了可以演化成大于30太阳质量的黑洞的恒星数量。那些作者希望厘清前身星质量和黑洞的关系。但因为恒星的金属度和它形成的时期都要被计算在内，这个关系并不简单。

「从现有的观测数据推算，宇宙中约14%的恒星注定要以黑洞的形态碰撞。这就是大自然惊人的效率。 」卡兰·贾尼说。「在我们这个框架之上添加的限制，应该可以帮助研究员追踪黑洞的历史、拆解千古之谜和解锁更多稀奇古怪的场景。」

FY: Rochelle Leung

作者：Evan Gough

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