先进的LIGO有望揭示融合黑洞的奥秘

艺术家对一个黑洞的印象。

天体物理学家一直在努力确定黑洞如何汇合并合并。伯明翰大学最新发表的一项研究对引力波天体物理学的这个谜团提供了更好的理解。

2015年9月14日，国际科学家使用路易斯安那州和华盛顿州的双LIGO仪器，首次检测到了引力波。这一发现证实了对爱因斯坦1915年相对论的主要预测，并为宇宙打开了前所未有的新窗口。但是，科学家仍然不知道这种成对的黑洞是如何形成的。

在获取数据的前16周中，先进激光干涉仪重力波天文台（aLIGO）观测到了来自两个二进制黑洞合并GW150914和GW151226以及两个统计上不那么重要的二进制黑洞合并候选LVT151012的引力波。

这项发表在《自然通讯》上的新研究详细介绍了使用新开发的名为COMPAS（紧凑对象合并）工具箱对重力波源形成进行调查的结果。人口天体物理学和统计学）。

为了使黑洞能够通过发射引力波在宇宙时代融合，它们必须以天文学的标准非常紧密地开始，不超过地球与太阳之间距离的五分之一。但是，作为LIGO观测到的黑洞的始祖，大质量恒星在其演化过程中膨胀得比这大得多。那么，关键的挑战是如何在一个很小的轨道上容纳这么大的恒星。已经提出了几种可能的方案来解决这个问题。

伯明翰大学的天体物理学家与阿姆斯特丹大学的Selma de Mink教授合作表明，所有三个观测到的事件都可以通过相同的形成通道形成：通过共同包络相进行孤立的二元演化。

在这个通道中，两个巨大的祖先恒星以相距很远的间隔开始。恒星在膨胀时相互作用，参与数次传质。其中最新的通常是一个普通的包膜-一种非常快速，动态不稳定的传质，将两个恒星核包裹在密集的氢气云中。从系统中排出这种气体会带走轨道上的能量。正好在两颗恒星足够小以至于它们之间不再紧密接触时，这使两颗恒星足够紧密地靠近在一起，从而可以有效地释放引力波。

整个过程需要几百万年的时间才能形成两个黑洞，在黑洞合并并形成一个黑洞之前，可能会延迟数十亿年。

这些模拟还帮助科学家了解了恒星的典型特性，这些恒星可以继续形成这样的两对合并的黑洞，以及可能发生这种情况的环境。例如，研究小组得出结论，两个质量明显不相等的黑洞合并在一起将有力地表明，恒星几乎完全是由氢和氦形成的，而其他元素所占的恒星物质不到0.1％（相比之下，这一比例在阳光下大约是2％）。

伯明翰大学博士学位的第一作者西蒙·史蒂文森（Simon Stevenson）解释说：“ COMPAS的优点在于，它使我们能够将所有观察结果结合起来，并开始拼凑出这些黑洞如何融合的难题，从而在时空上传递出我们在LIGO上能够观察到的波动。”

高级作者伊利亚·曼德尔（Ilya Mandel）教授补充说：“这项工作使对重力波追求一种“古生物学”成为可能。一位从未见过活体恐龙的古生物学家可以从其骨骼遗骸中窥探出恐龙的外观和生活方式。以类似的方式，我们可以分析黑洞的合并，并使用这些观察结果找出这些恒星在短暂而紧张的生活中是如何相互作用的。

出版物：Simon Stevenson等人，“通过孤立的二进制演化形成前三个引力波观测结果”，《自然通讯》第8期，文章编号：14906（2017）; doi：10.1038 / ncomms14906