最新研究表明：密集的恒星集群可以培育出超级黑洞

当LIGO的孪生探测器首次在它们各自相同的镜子中捕捉到微弱抖动时，信号不仅提供了对引力波首次直接探测，而且还证实了恒星双星黑洞的存在，这使得信号首先出现。恒星双星黑洞是由两个黑洞形成的，这些黑洞是由大质量恒星残余形成，它们开始相互环绕。最终黑洞合并成一个壮观的碰撞，根据爱因斯坦广义相对论，应该释放大量能量以引力波的形式。

一种模拟的快照，显示在密集星团中心形成的双黑洞，图片：Northwestern Visualization/Carl Rodriguez

现在由麻省理工学院天体物理学家卡尔·罗德里格斯领导的国际研究小组认为，黑洞可能会多次合并合并，产生的黑洞比从单个恒星形成的黑洞要大得多。这些“第二代合并”应该来自球状星团——空间的小区域，通常位于星系的边缘，那里聚集了成千上万的恒星。麻省理工学院物理学和Kavli天体物理和空间研究学院的Pappalardo研究员卡尔·罗德里格斯说：我们认为这些星系团形成了成百上千个黑洞，这些黑洞在中心迅速下沉，这些星团实际上是黑洞双星的工厂，在那里有那么多的黑洞，在一个小的空间区域中，两个黑洞可以合并，产生一个更大的黑洞。然后那个新黑洞可以找到另一个同伴并再次合并。

如果LIGO探测到的是一个黑洞，其质量大于50倍太阳质量，那么根据该小组的结果，很有可能不是由单个恒星产生的，而是来自一个密集的恒星团。如果等待的时间足够长，那么最终LIGO将会看到一些只能来自这些星团的东西，因为它比从一颗恒星得到的任何东西都要大。他和他的同事在一篇发表在《物理评论快报》上的论文中报告了研究结果。在过去的几年里，罗德里格斯研究了球状星团中黑洞的行为，以及它们之间的相互作用是否不同于在空间中占据较少区域的黑洞。

球状星团可以在大多数星系中找到，它们的数量与星系大小有关。例如巨大椭圆星系承载着数以万计的恒星聚集，而我们的银河系则拥有约200个星系，距离地球约7000光年是最近的星团。在他们的新论文中，Rodriguez和他的同事在西北大学(Northwestern University)用一台叫做Quest的超级计算机模拟了24个星团中复杂的动态相互作用，它们的大小从20万到200万颗不等，覆盖了不同密度和金属成分的范围。这些模拟模型模拟了这些星团中单个恒星的演化过程，超过120亿年，它们与其他恒星相互作用，最终形成黑洞的形成和演化，模拟还模拟了黑洞形成后的轨迹。

最妙的是，因为黑洞是这些星团中质量最庞大的物体，它们会下沉到中心，在那里会得到足够高的黑洞密度，形成双星，双星黑洞基本上就像星团里的巨大目标，当把其他黑洞或星星扔向它们时就会经历这些疯狂的混乱遭遇。这都是相对而言的，在进行模拟实验时，研究人员在模拟球状星团之前的努力中加入了一个关键成分。罗德里格斯说：过去人们所做的是把这当作纯粹的牛顿问题。牛顿引力理论在所有案例中占99.9%。当有两个黑洞时，它们之间的相互作用非常紧密，这通常不会发生在大多数星系中。

模拟显示在一个双黑洞(在橙色)和一个单独的黑洞(蓝色)之间的相遇与相对论效应。最终两个黑洞发出一波引力波，并合并，形成一个新的黑洞(红色)，图片：Massachusetts Institute of Technology

牛顿的相对论假设，如果黑洞是不受束缚的，那两个黑洞都不会影响另一个，而且它们只是相互传递，没有变化。这一推理是由于牛顿没有认识到引力波的存在——爱因斯坦后来预测，这是由巨大的轨道物体产生的，比如两个黑洞在近距离附近。在爱因斯坦的广义相对论中当一个黑洞靠近另一个黑洞时可以产生引力波，它实际上会发射出一个微小的引力波脉冲，这可以从系统中减去足够的能量，两个黑洞实际上会被束缚，然后它们就会迅速合并。研究小组决定将爱因斯坦的相对论效应加入到他们对球状星团模拟中。在模拟实验之后观察到黑洞相互融合，形成新黑洞。在没有相对论效应的情况下，牛顿引力预测大多数双星黑洞在合并之前会被其他黑洞从星团中踢出。

但是通过考虑相对论效应，罗德里格斯和他的同事们发现，近一半的黑洞在它们的星系团中融合，形成了比恒星形成的新一代黑洞质量更大的新一代黑洞。在星团内部的那些新的黑洞发生了什么，是一个旋转的问题。如果两个黑洞在合并时旋转，它们所产生的黑洞就会像火箭一样，在一个单一的方向上发射出引力波，从而产生一个新的黑洞，它能以每秒5000公里的速度飞快地射出，疯狂的快，它只需要大约几十到100公里每秒就能逃离这些星团。由于这种效应，科学家们基本上认为，任何黑洞合并的产物都将被踢出星团，因为人们假定大多数黑洞都在快速旋转。然而，这种假设似乎与LIGO的测量相矛盾，LIGO迄今为止只检测到低自旋的双黑洞。

为了验证这一结论，Rodriguez在他的模拟中对黑洞的旋转进行了分析，并发现在这种情况下，近20%的双星黑洞至少有一个黑洞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可以在50到130个太阳质量的范围内。科学家认为黑洞的质量无法从单个恒星形成。德里格斯说，如果像LIGO这样的引力波望远镜在这个范围内探测到一个物体，那么它很有可能不是来自一个坍缩的恒星，而是来自一个密集的恒星团。

博科园-科学科普｜参考期刊：物理评论快报｜来自：麻省理工学院