麻省理工学院朱棣文教授 根据对LIGO数据的重新分析，两个黑洞的不平衡合并可能有不同寻常的起源
学分:麻省理工学院新闻 根据麻省理工学院和其他地方的研究人员的一项新研究，两个黑洞的不平衡合并可能有一个奇怪的起源故事
这次合并最早是在2019年4月12日被发现的，当时一股引力波同时到达了LIGO(激光干涉仪引力波天文台)和它的意大利同行处女座
科学家将该信号标记为GW190412，并确定它来自两个大卫和歌利亚黑洞的碰撞，一个比另一个大三倍
这一信号标志着首次发现两个大小非常不同的黑洞合并
今天发表在《物理评论快报》杂志上的这项新研究表明，与大多数合并或二进制合并的形成方式相比，这种不平衡的合并可能源于一个非常不同的过程
这两个黑洞中质量更大的一个本身很可能是两个母黑洞合并的产物
在第一次碰撞中旋转出来的巨人哥利亚可能在与第二个更小的黑洞融合之前，围绕着一个密集的“核团”反弹——这是一个喧闹的事件，发出的引力波在太空中荡漾
格温190412可能是第二代，或“等级”合并，与LIGO和处女座迄今发现的其他第一代合并不同
“这个事件是宇宙扔给我们的一个奇怪的东西——这是我们没有预料到的事情，”研究合著者萨尔瓦多·维塔莱说，他是麻省理工学院的物理学助理教授，也是LIGO成员
“但是在宇宙中没有什么事情只发生一次
像这样的事情，虽然很少，但我们会再次看到，我们会对宇宙有更多的了解
" 维塔莱的合著者是伯明翰大学的大卫·格罗萨和约翰·霍普金斯大学的伊曼纽·贝蒂
难以解释 黑洞合并有两种主要的形成方式
第一种被称为共同包络过程，两个相邻的恒星在数十亿年后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圆盘
再过几十亿年，黑洞螺旋进入并融合
“你可以把这想象成一对夫妇一生都在一起，”维塔莱说
“这个过程被怀疑发生在像我们这样的星系盘中
" 黑洞合并形成的另一个常见途径是通过动态相互作用
想象一下，在一夫一妻制的环境中，一个银河狂欢会，数千个黑洞被塞进宇宙中一个小而密集的区域
当两个黑洞开始合作时，第三个黑洞可能会在一个动态的相互作用中把这对夫妇分开，这种相互作用可能会重复多次，直到一对黑洞最终合并
在共同包络过程和动态相互作用场景中，合并的黑洞应该具有大致相同的质量，不像GW190412的不平衡质量比
它们也应该相对没有自旋，而GW190412具有令人惊讶的高自旋
“底线是，这两种情况，人们传统上认为是宇宙中黑洞双星的理想温床，很难解释这个事件的质量比和自旋，”维塔莱说
黑洞跟踪器 在他们的新论文中，研究人员使用了两个模型来证明GW190412不太可能来自一个共同的包络过程或一个动态相互作用
他们首先使用恒星轨迹(STAR TRACK)模拟了一个典型星系的演化，这是一个跟踪星系数十亿年的模拟过程，从气体聚结开始，一直到恒星形成和爆炸，然后坍缩成最终合并的黑洞
第二个模型模拟球状星团中随机的、动态的相遇，球状星团是大多数星系周围密集的恒星
该团队多次运行这两种模拟，调整参数并研究出现的黑洞合并的特性
对于那些通过共同的包络过程形成的合并，像GW190412这样的合并是非常罕见的，只有在几百万次事件之后才会出现
在几千次合并之后，动态的相互作用更有可能产生这样的事件
然而，LIGO和处女座仅在另外50次探测后就探测到了GW190412，这表明它可能是通过其他过程产生的
“无论我们做什么，我们都不能轻易地在这些更常见的信息渠道中产生这个事件，”维塔莱说
分层合并的过程可能更好地解释了GW190412的不平衡质量和高自旋
如果一个黑洞是先前质量相似的两个母黑洞配对的产物，它本身的质量会比任何一个母黑洞都大，后来会大大盖过它的第一代伙伴，在最后的合并中产生高质量比
一个分层的过程也可以产生一个高自旋的合并:母黑洞在它们混乱的合并中，将旋转产生的黑洞，然后将这个旋转带入它自己的最终碰撞
维塔莱解释说:“你算一下，结果发现剩余的黑洞会有一个非常接近这次合并总自旋的自旋。”
无处可逃 如果GW190412真的是通过等级合并形成的，维塔莱说这个事件也能揭示它形成的环境
研究小组发现，如果两个黑洞中较大的一个是由先前的碰撞形成的，那次碰撞可能会产生大量的能量，不仅会产生一个新的黑洞，还会把它踢过一段距离
“如果踢得太用力，它就会离开星团，进入空的星际介质，无法再融合，”维塔莱说
如果该物体能够再次合并(在这种情况下，产生GW190412)，这将意味着它受到的反冲不足以逃离它形成的星团
如果GW190412确实是分层合并的产物，研究小组计算出它会发生在逃逸速度高于每秒150公里的环境中
从长远来看，大多数球状星团的逃逸速度约为每秒50公里
这意味着GW190412产生的任何环境都有巨大的引力，研究小组认为这样的环境可能是超大质量黑洞周围的气体圆盘，也可能是“核团”——宇宙中密度惊人的区域，聚集了数千万颗恒星
“这次合并一定来自一个不寻常的地方，”维塔莱说
“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了解宇宙的新情况
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