最新研究表明：密集恆星集群可以培育出超級黑洞

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當LIGO的孿生探測器首次在它們各自相同的鏡子中捕捉到微弱抖動時，信號不僅提供了對引力波首次直接探測，而且還證實了恆星雙星黑洞的存在，這使得信號首先出現。恆星雙星黑洞是由兩個黑洞形成的，這些黑洞是由大質量恆星殘餘形成，它們開始相互環繞。最終黑洞合併成一個壯觀的碰撞，根據愛因斯坦廣義相對論，應該釋放大量能量以引力波的形式。

一種模擬的快照，顯示在密集星團中心形成的雙黑洞，圖片：Northwestern Visualization/Carl Rodriguez

現在由麻省理工學院天體物理學家卡爾·羅德里格斯領導的國際研究小組認為，黑洞可能會多次合併合併，產生的黑洞比從單個恆星形成的黑洞要大得多。這些「第二代合併」應該來自球狀星團——空間的小區域，通常位於星系的邊緣，那裡聚集了成千上萬的恆星。

麻省理工學院物理學和Kavli天體物理和空間研究學院的Pappalardo研究員卡爾·羅德里格斯說：我們認為這些星系團形成了成百上千個黑洞，這些黑洞在中心迅速下沉，這些星團實際上是黑洞雙星的工廠，在那裡有那麼多的黑洞，在一個小的空間區域中，兩個黑洞可以合併，產生一個更大的黑洞。然後那個新黑洞可以找到另一個同伴並再次合併。

如果LIGO探測到的是一個黑洞，其質量大於50倍太陽質量，那麼根據該小組的結果，很有可能不是由單個恆星產生的，而是來自一個密集的恆星團。如果等待的時間足夠長，那麼最終LIGO將會看到一些只能來自這些星團的東西，因為它比從一顆恆星得到的任何東西都要大。他和他的同事在一篇發表在《物理評論快報》上的論文中報告了研究結果。在過去的幾年裡，羅德里格斯研究了球狀星團中黑洞的行為，以及它們之間的相互作用是否不同於在空間中佔據較少區域的黑洞。

球狀星團可以在大多數星系中找到，它們的數量與星系大小有關。例如巨大橢圓星系承載著數以萬計的恆星聚集，而我們的銀河系則擁有約200個星系，距離地球約7000光年是最近的星團。在他們的新論文中，Rodriguez和他的同事在西北大學(Northwestern University)用一台叫做Quest的超級計算機模擬了24個星團中複雜的動態相互作用，它們的大小從20萬到200萬顆不等，覆蓋了不同密度和金屬成分的範圍。這些模擬模型模擬了這些星團中單個恆星的演化過程，超過120億年，它們與其他恆星相互作用，最終形成黑洞的形成和演化，模擬還模擬了黑洞形成後的軌跡。

最妙的是，因為黑洞是這些星團中質量最龐大的物體，它們會下沉到中心，在那裡會得到足夠高的黑洞密度，形成雙星，雙星黑洞基本上就像星團里的巨大目標，當把其他黑洞或星星扔向它們時就會經歷這些瘋狂的混亂遭遇。這都是相對而言的，在進行模擬實驗時，研究人員在模擬球狀星團之前的努力中加入了一個關鍵成分。

羅德里格斯說：過去人們所做的是把這當作純粹的牛頓問題。牛頓引力理論在所有案例中佔99.9%。當有兩個黑洞時，它們之間的相互作用非常緊密，這通常不會發生在大多數星系中。

模擬顯示在一個雙黑洞(在橙色)和一個單獨的黑洞(藍色)之間的相遇與相對論效應。最終兩個黑洞發出一波引力波，併合並，形成一個新的黑洞(紅色)，圖片：Massachusetts Institute of Technology

牛頓的相對論假設，如果黑洞是不受束縛的，那兩個黑洞都不會影響另一個，而且它們只是相互傳遞，沒有變化。這一推理是由於牛頓沒有認識到引力波的存在——愛因斯坦後來預測，這是由巨大的軌道物體產生的，比如兩個黑洞在近距離附近。在愛因斯坦的廣義相對論中當一個黑洞靠近另一個黑洞時可以產生引力波，它實際上會發射出一個微小的引力波脈衝，這可以從系統中減去足夠的能量，兩個黑洞實際上會被束縛，然後它們就會迅速合併。

研究小組決定將愛因斯坦的相對論效應加入到他們對球狀星團模擬中。在模擬實驗之後觀察到黑洞相互融合，形成新黑洞。在沒有相對論效應的情況下，牛頓引力預測大多數雙星黑洞在合併之前會被其他黑洞從星團中踢出。但是通過考慮相對論效應，羅德里格斯和他的同事們發現，近一半的黑洞在它們的星系團中融合，形成了比恆星形成的新一代黑洞質量更大的新一代黑洞。在星團內部的那些新的黑洞發生了什麼，是一個旋轉的問題。

如果兩個黑洞在合併時旋轉，它們所產生的黑洞就會像火箭一樣，在一個單一的方向上發射出引力波，從而產生一個新的黑洞，它能以每秒5000公里的速度飛快地射出，瘋狂的快，它只需要大約幾十到100公里每秒就能逃離這些星團。由於這種效應，科學家們基本上認為，任何黑洞合併的產物都將被踢出星團，因為人們假定大多數黑洞都在快速旋轉。然而，這種假設似乎與LIGO的測量相矛盾，LIGO迄今為止只檢測到低自旋的雙黑洞。

為了驗證這一結論，Rodriguez在他的模擬中對黑洞的旋轉進行了分析，並發現在這種情況下，近20%的雙星黑洞至少有一個黑洞是在之前的合併中形成的。因為它們是由其他黑洞形成的，所以這些第二代黑洞可以在50到130個太陽質量的範圍內。科學家認為黑洞的質量無法從單個恆星形成。德里格斯說，如果像LIGO這樣的引力波望遠鏡在這個範圍內探測到一個物體，那麼它很有可能不是來自一個坍縮的恆星，而是來自一個密集的恆星團。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：物理評論快報｜來自：麻省理工學院

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