黑洞的狂欢可能让引力波探测器更有机会看到天体的碰撞世界新要闻

来源：cnBeta 　2023-01-18 05:50:37

【资料图】

自2015年以来，LIGO-Virgo-KAGRA合作组织已经探测到大约85对黑洞相互碰撞。我们现在知道，爱因斯坦是对的：引力波是由这些系统产生的，因为它们在相互碰撞时，巨大的质量扭曲了时空。

艺术家对一个星团核心的黑洞集合的印象。资料来源：欧空局/Hubble, N. Bartmann

我们还知道，这些宇宙碰撞经常发生：随着探测器灵敏度的提高，我们有望在2023年开始的下一次观测中，几乎每天都能感觉到这些事件。

但我们还不知道的是，是什么导致了这些碰撞的发生。

黑洞在大质量恒星死亡时形成。通常情况下，这种死亡是剧烈的，是一种极端的能量迸发，会摧毁或推开附近的物体。因此，在宇宙的年龄范围内，很难形成两个足够近的黑洞来合并。让它们合并的一个方法是在人口密集的环境中把它们推到一起，比如星团的中心。

在星团中，开始时相距甚远的黑洞可以通过两种机制被推到一起。首先，是质量隔离，这导致质量最大的物体向引力势阱的中间沉降。这意味着分散在整个星团中的任何黑洞都会在中间形成一个无形的"暗核"。第二，存在着动态的相互作用。如果两个黑洞在星团中配对，它们的相互作用就会受到附近物体引力的影响。这些影响可以从双星中移除轨道能量，并将其推到一起。

在星团中可能发生的质量隔离和动力学相互作用会在合并的双星的属性上留下它们的指纹。一个关键属性是双星在合并前的轨道形状。由于星团中的合并可能发生得非常快，所以轨道形状可能相当拉长--不像是地球围绕太阳的平静、沉稳的圆圈，而更像是哈雷彗星在进出太阳系时的挤压椭圆。当两个黑洞处于这样一个拉长的轨道上时，它们的引力波信号具有特征性的调制，可以研究出这两个物体在哪里相遇的线索。

一个由OzGrav研究人员和校友组成的小组正在共同研究黑洞双星的轨道形状。由Isobel Romero-Shaw博士（原莫纳什大学，现驻剑桥大学）领导的小组与莫纳什大学的Paul Lasky和Eric Thrane教授一起发现，LIGO-Virgo-KAGRA合作组织观测到的一些双星可能具有拉长的轨道，表明它们可能在一个人口稠密的星团中发生碰撞。他们的发现表明，观察到的双星黑洞碰撞中的一大块--至少35%可能是在星团中形成的。

"我喜欢把黑洞双星想象成舞伴，"罗梅罗-肖博士解释说。"当一对黑洞孤立地演化在一起时，它们就像一对夫妇在舞厅里单独表演缓慢的华尔兹。它是非常受控和谨慎的；美丽，但没有什么意外。与此形成鲜明对比的是星团内狂欢式的氛围，在那里你可能会有很多不同的舞蹈同时发生；大大小小的舞团，自由式的，还有很多惊喜！"

虽然这项研究的结果不能告诉我们观察到的黑洞双星到底在哪里合并，但它们确实表明，星团中心的黑洞狂欢可能是一个重要贡献。

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