研究人员找到了引力波探测器观测到的大质量黑洞的起源和最大质量

通过对一颗垂死恒星的模拟，一组理论物理学研究人员发现了通过探测引力波发现的黑洞的起源和最大质量，如图1所示。

用LIGO（激光干涉仪重力波天文台）和VIRGO（处女座干涉重力波天线）对重力波的激动检测表明，在紧密的二元系统中存在合并黑洞的现象。

图1：GW170729的二进制黑洞形成路径的示意图。低于80太阳质量的恒星演化并发展为核心坍缩的超新星。这颗恒星没有成对不稳定，因此没有明显的由脉动引起的质量抛射。恒星形成巨大的铁芯后，它会因自身引力而坍塌，并形成质量低于38太阳质量的黑洞。太阳质量在80到140之间的恒星会演化并发展为脉动对不稳定性超新星。在恒星形成大量的碳氧核之后，核经历灾难性的电子-正电子对创建。这激发了恒星材料的强烈脉动和部分喷射。射出的物质形成围绕恒星的星际物质。此后，恒星继续发展并形成一个巨大的铁核，其坍塌方式与普通的核塌陷超新星类似，但最终黑洞的质量更高，介于38至52个太阳质量之间。这两个路径可以解释引力波事件GW170729的检测到的二进制黑洞质量的起源。

已经测量了在合并之前观察到的黑洞的质量，结果发现其质量比以前预期的质量大得多，约为太阳质量（太阳质量）的10倍。在其中一种情况下，GW170729，在合并之前观察到的黑洞质量实际上与大约50太阳质量一样大。但是，尚不清楚哪颗恒星会形成如此大的黑洞，或者引力波探测器将观测到的黑洞的最大值是多少。

为了回答这个问题，卡夫利宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）的研究小组由当时的梁承志（现为加利福尼亚理工学院）的项目研究员，高级科学家Ken'ichi组成野本茂和来访的高级科学家谢尔盖·布林尼科夫（谢尔盖·布林尼科夫，摩索理论与实验物理研究所的教授）研究了超大质量恒星演化的最后阶段，特别是在接近双星系统中有80至130个太阳质量恒星。他们的发现显示在插图（a – e）和图（1 – 4）中。

模拟：脉冲对不稳定超新星演化过程。

在紧密的双星系统中，最初有80至130个太阳质量恒星失去了富氢的包层，而变成了40至65个太阳质量的氦恒星。当最初的80到130个太阳质量恒星形成富氧核时，这些恒星会经历动态脉动（图a – b和图2），因为恒星内部的温度变得足够高，足以使光子转化为电子-正电子对。 。这种“成对创造”使岩心变得不稳定，并加速收缩塌陷（图b）。

在过度压缩的恒星中，氧气爆炸性燃烧。这将触发恒星倒塌，然后迅速膨胀。恒星外层的一部分被弹出，而内部则冷却下来并再次塌陷（图c）。重复进行脉动（塌陷和膨胀），直到氧气耗尽（图d）。此过程称为“脉冲对不稳定性”（PPI）。这颗恒星形成铁芯，最后坍塌成黑洞，这将触发超新星爆炸（图e），称为PPI-超新星（PPISN）。

图2：红线表示最初的120个太阳质量恒星（PPISN：脉冲对不稳定性超新星）中心温度和密度的时间演化。箭头表示时间的方向。该恒星在＃1和＃2处反弹，从而产生脉动（即两次收缩和膨胀），最后沿着类似于25个太阳质量恒星的线（蓝色细线：CCSN（核塌陷超新星）。粗蓝线表示200个太阳质量恒星的收缩和最终膨胀，该恒星被完全破坏而没有留下黑洞（PISN：对不稳定的超新星）。黑色实线包围的左上区域是恒星动态不稳定的区域。

通过计算几个这样的脉动和相关的质量喷射，直到恒星坍塌形成黑洞，研究小组发现，由脉动对不稳定性超新星形成的黑洞的最大质量为52太阳质量（图3）。

最初大于130太阳质量的恒星（形成比65太阳质量更大的氦气恒星）由于爆炸性的氧气燃烧而经历了“对不稳定性超新星”，这彻底破坏了恒星而没有黑洞残留。300太阳质量以上的恒星坍缩，并可能形成比150太阳质量更大的黑洞。

图3：红线（连接红色模拟点）显示了在脉冲对不稳定性超新星（PPISN）之后相对于初始恒星质量剩下的黑洞质量。红色和黑色虚线显示了二元系统中剩下的氦核的质量。红线低于虚线，这是因为由于脉动质量损失而使铁心损失了一些质量。（对不稳定性超新星PISN完全爆炸，没有残留物。）红线的峰值给出了黑洞的最大质量，即52太阳质量，这是通过引力波观察到的。

以上结果表明，黑洞质量在52至150太阳质量之间存在“质量间隙”。结果表明，GW170729中的50个太阳质量黑洞很可能是脉动对不稳定超新星的残余，如图3和4所示。

图4：一对黑洞的质量（用相同的颜色表示），它们的合并产生了由先进的LIGO和VIRGO检测到的重力波（GW）（合并事件名称GW150914至GW170823表示年月日）。38 – 52太阳质量包围的盒子是PPISNe产生的剩余质量范围。落入该盒子内的黑洞质量必须在崩塌之前具有PPISN的起源。在38太阳质量以下是由经历CCSN的大质量恒星形成的黑洞。除了GW170729以外，GW170823还是下限质量侧PPISN的候选者。

该结果还预测，由于脉动质量损失而形成大量的星际介质，因此与黑洞形成有关的超新星爆炸将促使喷射的物质与星际物质发生碰撞，从而成为超发光的超新星。未来的重力波信号将为测试其理论预测提供基础。

参考：“脉冲对不稳定超新星。I.崩溃前的演化和脉动性抛射”，梁承志，野本健一和谢尔盖·布林尼科夫，2019年12月11日，《天体物理学杂志》。
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