球状星团可以促进多个黑洞的球状重复合并

2021-10-20 07:33:42姚毓志导读 位于球状星团中的恒星质量黑洞 - 通常位于星系边缘的小空间区域，其中包含数十万到数百万颗恒星 - 可以反复组合形成比单个恒星产生的星团任

位于球状星团中的恒星质量黑洞 - 通常位于星系边缘的小空间区域，其中包含数十万到数百万颗恒星 - 可以反复组合形成比单个恒星产生的可促任何物体都大的物体。

当由大质量恒星残余产生的进多两个黑洞开始相互绕轨道时，形成恒星二元黑洞。个黑最终，重复黑洞在碰撞中融合，合并根据爱因斯坦的球状广义相对论，它应该以引力波的星团形式释放出大量的能量。

现在，可促麻省理工学院的进多天体物理学家Carl Rodriguez和他的合着者认为，黑洞可能会多次合作并合并，个黑产生的重复黑洞比单星形成的黑洞更大。这些“第二代合并”应该来自球状星团。合并

罗德里格斯博士说：“我们认为这些星团形成了数百到数千个黑洞，球状这些黑洞在中心迅速下沉。”

“这些类型的星团基本上都是黑洞双星的工厂，在那里你有很多黑洞悬挂在一个小空间区域，两个黑洞可以融合在一起，形成一个更大的黑洞。那个新的黑洞可以找到另一个伙伴并再次合并。“

在这项研究中，罗德里格斯博士及其同事使用西北大学的超级计算机Quest来模拟24个恒星星团内复杂的动态相互作用，其大小从20万到2百万不等，并覆盖了一系列不同的密度和金属成分。

这些模拟模拟了这些星团内个别恒星在超过120亿年后的演变，与其他恒星的相互作用以及最终黑洞的形成和演化。模拟还可以模拟黑洞形成后的轨迹。

“整洁的事情是，因为黑洞是这些星团中最大的物体，它们会沉到中心，在那里你会得到足够高的黑洞密度，形成二进制，”罗德里格兹博士说。

“二进制黑洞基本上就像在群集中悬挂的巨型目标，当你向它们抛出其他黑洞或星星时，它们会经历这些疯狂的混乱遭遇。”

在运行他们的模拟时，研究人员添加了一个关键成分，这在以前模拟球状星团的努力中是缺失的。

罗德里格斯博士指出：“过去人们所做的就是将其视为纯粹的牛顿问题。”

“牛顿的引力理论在99.9%的情况下起作用。它不起作用的少数情况可能是当你有两个非常紧密地相互嗖嗖的黑洞时，这通常不会发生在大多数星系中。“

牛顿的相对论假设，如果黑洞一开始就没有约束，那么它们都不会影响另一个，它们只会相互通过，不变。

这种推理源于牛顿未能认识到引力波的存在这一事实 - 爱因斯坦后来预测这种引力波会产生大质量的轨道物体，例如近距离的两个黑洞。

罗德里格斯博士说：“在爱因斯坦的广义相对论中，我可以发射引力波，然后当一个黑洞靠近另一个黑洞时，它实际上可以发出一个小的引力波脉冲。”

“这可以从系统中减去足够的能量，使两个黑洞实际上被束缚，然后它们将迅速融合。”

研究作者决定将爱因斯坦的相对论效应加入他们的球状星团模拟中。

在进行模拟后，他们观察到黑洞相互合并，在恒星星团内部创造了新的黑洞。

没有相对论效应，牛顿引力预测大多数二进制黑洞会在合并之前被其他黑洞踢出集群。但是通过考虑相对论效应，该团队发现近一半的二进制黑洞在其恒星星团内合并，产生了新一代黑洞，这些黑洞比星星形成的黑洞更大。群集内部的那些新黑洞会发生什么变化。

“如果两个黑洞合并时它们正在旋转，那么它们产生的黑洞会在一个优先方向上发射引力波，就像火箭一样，形成一个新的黑洞，可以以每秒5000公里的速度射出 - 所以，疯狂得快，“罗德里格斯博士说。

“它只需要几十到一百公里/秒的速度就可以逃脱其中一个星团。”

由于这种影响，科学家们已经在很大程度上认为任何黑洞合并的产物都会被赶出集群，因为人们认为大多数黑洞正在快速旋转。

然而，这个假设似乎与LIGO的双探测器的测量结果相矛盾，LIGO的双探测器到目前为止仅探测到具有低自旋的二元黑洞。

为了测试这一点的影响，研究人员在他们的模拟中调低了黑洞的旋转，并发现在这种情况下，来自星团的近20%的二元黑洞至少有一个黑洞，这是在之前的合并中形成的。

因为它们是由其他黑洞形成的，所以这些第二代黑洞中的一些可以在50到130太阳质量的范围内。科学家认为，这种质量的黑洞不可能来自一颗恒星。

“如果像LIGO这样的引力波望远镜探测到质量在这个范围内的物体，它很有可能不是来自一颗坍缩的恒星，而是来自一个密集的恒星星团，”Rodriguez博士说。