游手好闲的“大卫与巨人”黑洞与奇幻起源故事合并

根据对LIGO数据的重新分析，两个黑洞的不对称合并可能具有异常的起源。

研究人员提出了一种新颖的方法来解释大黑洞和小得多的黑洞的碰撞。

麻省理工学院和其他地方的研究人员进行的一项新研究显示，两个黑洞的不对称合并可能会出乎意料。

合并于2019年4月12日首次被发现为引力波，到达了LIGO（激光干涉仪引力波天文台）及其意大利对应的处女座的探测器。科学家将信号标记为GW190412，并确定该信号源于两个戴维和盖利斯黑洞之间的碰撞，一个黑洞的质量是另一个黑洞的三倍。该信号标志着首次检测到两个大小完全不同的黑洞之间的合并。

现在，这项新研究于2020年9月2日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，表明与一般认为大多数合并或二进制形成的方式相比，这种不平衡的合并可能是通过非常不同的过程发起的。

两个黑洞中较大的一个本身可能是两个父黑洞之间先前合并的产物。从第一次碰撞中冲出的巨人可能随后在密密麻麻的“核簇”周围跳动，然后与第二个较小的黑洞合并-这是一个喧闹的事件，使引力波在太空中荡漾。

GW190412然后可能是第二代或“分层”合并，与LIGO和处女座迄今检测到的其他第一代合并不同。

研究合著者，麻省理工学院物理学助理教授，LIGO成员萨尔瓦托·维塔莱（Salvatore Vitale）说：“这一事件是宇宙向我们投掷的怪胎。这是我们从未想到的事情。”“但是在宇宙中什么也不会发生。像这样的东西，尽管很少见，我们将再次见到，我们将能够更多地谈论宇宙。”

Vitale的合著者是伯明翰大学的Davide Gerosa和约翰霍普金斯大学的Emanuele Berti。

努力解释

黑洞合并被认为有两种主要方式。第一个被称为共同包络过程，数十亿年后，两个相邻的恒星爆炸形成两个相邻的黑洞，最终共享一个共同的包络或气体盘。又过了几十亿年，黑洞逐渐形成并合并。

Vitale说：“您可以把这想像成一辈子在一起的夫妻。”“怀疑这一过程发生在像我们这样的星系盘中。”

黑洞合并形成的另一种常见途径是通过动力学相互作用。想象一下，在一夫一妻制的环境中，一个银河狂欢，其中成千上万个黑洞塞满了宇宙的一个小而密集的区域。当两个黑洞开始交织在一起时，第三个黑洞可能会在一对互动的黑洞最终合并之前，以动态互动的方式将这对夫妻分开，这种互动可以重复很多次。

在普通包络过程和动态相互作用场景中，合并的黑洞应具有大致相同的质量，这与GW190412的质量偏差比例不同。它们也应该相对没有自旋，而GW190412具有令人惊讶的高自旋。

Vitale说：“最重要的是，这两种情况都是人们传统上认为是宇宙中黑洞双星的理想苗圃，它们难以解释这一事件的质量比和自旋。”

黑洞追踪器

在他们的新论文中，研究人员使用了两种模型来表明GW190412不太可能来自于共同的包络过程或动态相互作用。

他们首先使用STAR TRACK建模了一个典型星系的演化，这是一个跟踪数十亿年的星系的模拟，从气体的聚结开始，一直到恒星形成并爆炸的方式，然后坍塌成黑洞，最终合并。第二个模型模拟球状星团中的随机，动态相遇，即大多数星系周围恒星密集的恒星。

该团队多次运行了两个模拟，调整了参数并研究了出现的黑洞合并的属性。对于那些通过通用信封程序形成的合并而言，像GW190412这样的合并非常罕见，只有几百万次事件之后才出现。在几千次合并之后，动态交互更可能产生这样的事件。

但是，仅在进行了其他50次检测后，LIGO和处女座就检测到GW190412，这表明它可能是通过其他过程产生的。

Vitale说：“无论我们做什么，我们都不能轻易在这些更常见的编队渠道中发生这一事件。”

分层合并的过程可能会更好地解释GW190412的偏斜质量和较高的自旋。如果一个黑洞是先前配对的两个质量相似的父级黑洞的乘积，则其本身将比任一父级更大，并随后大大超过其第一代合作伙伴，从而在最终合并中创造了很高的质量比。

分层过程也可能会产生很高的合并率：父级黑洞在其混乱的合并中将旋转生成的黑洞，然后将这种旋转带入其自身的最终碰撞中。

Vitale解释说：“算一下，结果是剩下的黑洞的旋转非常接近这次合并的总旋转。”

无法逃避

Vitale表示，如果GW190412确实是通过分层合并形成的，那么该事件也可能会阐明其形成的环境。研究小组发现，如果两个黑洞中的较大者是由先前的碰撞形成的，那次碰撞很可能会产生大量能量，这些能量不仅会旋转出一个新的黑洞，而且还会将其踢出一定距离。

Vitale说：“如果踢得太厉害，它只会离开星团，进入空的星际介质，而无法再次合并。”

如果该对象能够再次合并（在这种情况下，要生成GW190412），则意味着它所接收到的踢动不足以逃脱形成它的恒星簇。如果GW190412确实是分层合并的产物，则团队计算出它应该发生在逃逸速度高于每秒150公里的环境中。为了便于观察，大多数球状星团的逃逸速度约为每秒50公里。

这意味着无论GW190412产生于何种环境，都具有巨大的引力，并且该团队认为，这种环境可能是超大质量黑洞周围的气体盘，或者是“核团”（宇宙中一个难以置信的密集区域），拥有数千万颗恒星。

“这次合并一定来自一个不寻常的地方，” Vitale说。“随着LIGO和处女座继续进行新的探测，我们可以利用这些发现来学习有关宇宙的新事物。”

参考：Davide Gerosa，Salvatore Vitale和Emanuele Berti于2020年9月2日在《物理评论快报》上发表的文章“ GW190412作为先前的黑洞合并的残余物的天体含义”。
10.1103 / PhysRevLett.125.101103

这项研究部分由美国国家科学基金会和麻省理工学院的Solomon Buchsbaum研究基金资助。