卡弗利宇宙物理和数学研究所 GW170729二元黑洞形成路径示意图
一颗低于80个太阳质量的恒星演化并发展成一颗核心坍缩超新星
恒星没有经历对不稳定性，因此没有显著的质量脉动喷射
这颗恒星形成一个巨大的铁芯后，由于自身的重力而坍缩，形成一个质量低于38个太阳质量的黑洞
一颗质量在80到140个太阳质量之间的恒星演化并发展成脉动对不稳定性超新星
在恒星形成一个巨大的碳氧核心后，核心经历了灾难性的电子-正电子对创造
这激发了强烈的脉动和恒星物质的部分喷射
喷出的物质来自恒星周围的物质
此后，恒星继续演化，形成一个巨大的铁芯，它以类似于普通塌核超新星的方式坍缩，但最终黑洞质量在38 - 52个太阳质量之间
这两条路径可以解释引力波事件GW170729中探测到的双星黑洞质量的起源
信用:梁成智等
/卡弗利·IPMU 通过对一颗垂死恒星的模拟，一组理论物理研究人员发现了通过探测引力波发现的黑洞的进化起源和最大质量
用LIGO(激光干涉引力波观测台)和处女座(处女座干涉引力波天线)对引力波进行的令人兴奋的探测表明，在封闭的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出来，其质量比先前预期的大得多，大约是太阳质量(太阳质量)的10倍
在这样一个事件中，观测到的黑洞在合并前的质量实际上大约有50个太阳质量那么大
但是尚不清楚哪些恒星能够形成如此巨大的黑洞，或者引力波探测器观察到的黑洞最大尺寸是多少
为了回答这个问题，卡弗利宇宙物理和数学研究所(卡弗利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)、高级科学家诺莫托(Kenichi Nomoto)和来访的高级科学家谢尔盖·布林尼科夫(Mosow理论和实验物理研究所的教授)组成，研究了非常大质量恒星演化的最后阶段，特别是80到130个太阳系质量相近的恒星
脉动对不稳定性超新星演化过程
信用:梁成智等
在封闭的双星系统中，最初80到130个太阳质量的恒星失去了它们富含氢的外壳，变成了40到65个太阳质量的氦星
当初始太阳质量恒星形成富氧核心时，恒星经历动态脉动，因为恒星内部的温度变得足够高，光子可以转换成电子-正电子对
这种“成对创造”使核心不稳定，并加速收缩至崩溃
在过度压缩的恒星中，氧气爆炸燃烧
这引发了恒星的坍缩和快速膨胀
恒星外层的一部分被喷射出来，而内部冷却下来并再次坍缩
脉动(塌陷和膨胀)重复进行，直到氧气耗尽
这个过程被称为脉动对不稳定性
这颗恒星形成一个铁芯，最终坍缩成一个黑洞，这将引发超新星爆炸，被称为PPI-超新星(PPISN)
通过计算几个这样的脉动和相关的质量喷射，直到恒星坍缩形成黑洞，研究小组发现由脉动对不稳定超新星形成的黑洞的最大质量是52个太阳质量
红线显示了最初120个太阳质量恒星中心的温度和密度的时间演化
箭头表示时间的方向
星星脉动(我
e
收缩和膨胀两次),通过在#1和#2处反弹，最终沿着类似于25太阳质量恒星的线坍缩(蓝色细线:CCSN(核心坍缩超新星))
蓝色的粗线显示了200太阳质量恒星的收缩和最终膨胀，该恒星被完全破坏，没有黑洞留下(PISN:对不稳定超新星)
由黑色实线包围的左上角区域是恒星动态不稳定的区域
信用:梁成智等
红线(连接红色模拟点)显示了脉动对不稳定性超新星(PPISN)相对于初始恒星质量后留下的黑洞质量
红色和黑色虚线显示了二元系统中剩下的氦核的质量
红线比虚线低，因为脉动质量损失从堆芯损失了一些质量
(对-不稳定超新星，PISN，完全爆炸，不留残余
)红线的峰值给出了引力波观测到的黑洞的最大质量，52个太阳质量
信用:梁成智等
一对黑洞(用相同的颜色表示)的质量，它们的合并产生引力波，由高级LIGO和处女座探测到(合并事件名称GW150914到GW170823表示年-月-日)
38 - 52个太阳质量围成的盒子是PPISNe产生的剩余质量范围
落在这个盒子里的黑洞质量在坍缩之前一定有一个PPISN的起源
低于38个太阳质量的黑洞是由一颗正在经历CCSN的大质量恒星形成的
除了GW170729之外，GW170823是质量下限侧的PPISN的候选物
信用:梁成智等
最初质量超过130个太阳质量的恒星(形成质量超过65个太阳质量的氦恒星)会由于氧气爆炸燃烧而经历成对不稳定超新星过程，这种过程会完全破坏恒星，没有黑洞残余
300个太阳质量以上的恒星坍缩，可能形成一个比大约150个太阳质量更大的黑洞
上述结果预测在黑洞质量中存在一个介于52和大约150个太阳质量之间的“质量间隙”
结果意味着GW170729中的50太阳质量黑洞很可能是脉动对不稳定性超新星的残余
结果还预测，脉动质量损失形成了一个大质量的星周介质，因此与黑洞形成有关的超新星爆炸将导致喷出的物质与星周物质碰撞，成为超发光超新星
未来的引力波信号将为检验他们的理论预测提供基础
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