密集的恒星簇是黑洞'megamergers'的家

示出形成在密集星形簇的中心的二进制黑洞的模拟的快照。图像:西北可视化/ Carl Rodriguez

密集恒星簇中的黑洞可以反复结合,形成比单个星团可能产生的东西更大的物体。

当利戈的双探测器首先在各自的相同镜子中拾取微弱的摆动时,信号不仅提供了重力波的首次直接检测 - 它还证实了恒星二进制黑洞的存在,这在第一个中引起了信号地方。

当两个黑洞时形成恒星二进制黑洞,从巨大的恒星的残余物中创造,开始互相轨道。最终,黑洞在壮观的碰撞中合并,根据爱因斯坦的一般相对论理论,应该以引力波的形式释放大量的能量。

现在,由麻省理工学院天体物理学家Carl Rodriguez领导的国际团队表明,黑洞可能会多次搭配并合并,产生比从单星形成的黑洞更加大幅度。这些“第二代并购”应该来自球簇 - 通常在空间的小区域,通常在银河系的边缘上,装满了数十万到数百万颗恒星。

“我们认为这些簇用数百到数千个黑洞形成的群体在中心迅速下沉,”麻省理工学院的物理系和天体物理学和空间研究所的Kavli研究所Pappalardo研究员Carl Rodriguez。“这些种类的集群基本上是黑洞二进制文件的工厂,在那里你有这么多的黑洞,在一个空间的一个小区域中,两个黑洞可以合并并产生更加巨大的黑洞。然后那个新的黑洞可以找到另一个伴侣并再次合并。“


一个仿真,显示星座中心50个黑洞的动态,其中两个单个黑洞最终形成二进制黑洞。视频:西北可视化/ Carl Rodriguez

如果Ligo用一个黑洞组件检测到的Biary,那么根据该组的结果大于50左右的黑洞组件,那么根据该组的结果,物体不会从辛苦恒星出现,而是来自密集的恒星簇。

“如果我们等待足够长,那么最终Ligo会看到一些只能来自这些明星集群的东西,因为它会比你可以从一个星星从一个明星达到的东西,”Rodriguez说。

他和他的同事们在物理审查信中出现的纸上报告了他们的结果。

一种模拟,显示二进制黑洞(橙色)和具有相对论效果的单个黑洞(蓝色)之间的遇到。最终两个黑洞发出了一种引力波浪和合并,创造一个新的黑洞(以红色为单位)。图像:Carl Rodriguez.

跑星

在过去几年中,Rodriguez研究了球状簇内的黑洞的行为,以及它们的相互作用是否与占据空间中较少人口稠密的地区的黑洞不同。

在大多数星系中可以找到球状簇,它们的数量秤具有星系的尺寸。例如,巨大的椭圆星系,多万种这些恒星集团,而我们自己的银河系持有大约200个,最接近的集会居住在地球上约7,000个轻微的年龄。

在他们的新论文中,Rodriguez和他的同事报告使用一个称为任务的超级计算机,在西北大学,模拟24个恒星集群范围内的复杂,动态相互作用,范围为200,000至200万颗恒星,并覆盖一系列不同的密度和一系列不同的密度和金属组合物。仿真模型在120亿多年来这些集群中的杀虫恒星的演变,遵循其与其他恒星的相互作用,最终,黑洞的形成和演变。仿真还模拟了一旦它们形成的黑洞的轨迹。

“整洁的是,因为黑洞是这些集群中最巨大的物体,它们沉入了中心,在那里你得到了足够高的黑洞密度来形成二进制文件,”Rodriguez说。“二进制黑洞基本上就像在集群中闲逛的巨型目标,当你扔掉他们的其他黑洞或星星时,他们经历了这些疯狂的混乱遭遇。”

这都是相对的

在运行他们的模拟时,研究人员增加了以前努力模拟球簇的努力中缺少的关键成分。

“过去的人们所做的就是把它视为纯粹的牛顿问题,”Rodriguez说。“牛顿的重力理论占所有病例的99.9%。少数案例可能是当你非常密切地彼此有两个黑洞嗖嗖嗖嗖嗖嗖地,通常不会发生在大多数星系中。“

牛顿的相对论认为,如果黑洞未被纳入,既不会影响另一个,他们都不会互相传递,不变。这种推理线源于牛顿未能识别引力波的存在的事实 - 这将从巨大的轨道物体(例如紧密接近的两个黑洞)产生那么后来预测的爱因斯坦。

“在爱因斯坦的一般相对论的理论中,在我可以发出引力波的情况下,当一个黑洞接近另一个靠近另一个黑洞时,它实际上可以发出一个微小的引力波脉冲,”罗德里格兹解释说。“这可以从系统中减去足够的能量,即两个黑洞实际被束缚,然后它们会迅速合并。”

该团队决定将爱因斯坦的相对论效应添加到他们对球簇的模拟中。在运行模拟后,他们观察到彼此合并的黑洞,以创造新的黑洞,在恒星集群本身内。没有相对论的效果,牛顿重力预测,在它们可以合并之前,大多数二元黑洞将被其他黑洞从集群中踢出。但是,通过考虑相对论的影响,Rodriguez和他的同事发现,近一半的二元黑洞合并在其恒星簇内,创造了比由星星形成的新一代黑洞。群体内的那些新的黑洞发生了什么是旋转问题。

“如果两个黑洞在它们合并时旋转,它们产生的黑洞会在单个首选方向上发出引力波,如火箭,创造一个新的黑洞,可以像每秒射出5,000公里的新黑洞 - 那么,罗德里格兹说,快速快速快速。“每秒千公里只踢了几十至千米,逃脱了其中一个集群。”

由于这种效果,科学家们在很大程度上主要是PD,即任何黑洞合并的产物会被踢出群体,因为它被认为是大多数黑洞都迅速旋转。

然而,这种假设似乎与Ligo的测量相矛盾,这仅仅是检测到具有低旋转的二进制黑洞。为了测试这一点的含义,Rodriguez在他的模拟中拨打了黑洞的旋转,发现在这种情况下,从簇中的近20%的二进制黑孔具有至少一个在先前合并中形成的黑洞。因为它们由其他黑洞形成,所以这些第二代黑洞中的一些可以在50至130个太阳能质量范围内。科学家认为这种质量的黑洞不能从一个星星形成。

Rodriguez说,如果引脚望远镜如Ligo检测到这个范围内具有质量的物体,则它没有来自单个倒塌的星星,而是来自致密的恒星簇。

“我的共同作者和我对几个学习二元星形成的夫妻的赌注,在前100个rigo检测中,利戈将在这个上部夸张间隙中检测到某些东西,”Rodriguez说。“如果发生这种情况,我会得到一瓶漂亮的葡萄酒。”

本研究部分由MIT Pappalardo奖学金在物理学,美国宇航局,国家科学基金会,西北大学天体物理学(Ciera)跨学科探索和研究中心,航天科学研究所(ICE,CSIC)和Institut D 'estudis espacials de Catalunya(IEEC),以及印度孟买的塔塔基本研究所。

出版物:Carl L.Rodriguez,等,“纽托尼亚语群中的牛顿动态:高度古怪,高度旋转,反复二元黑洞并购,“物理评论信,2018; DOI:10.1103 / physrevlett.120.151101

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