宇宙中14%的大質量恆星註定要以黑洞的形式碰撞

2020-09-14 天文在線

2015年首次探測到的引力波為黑洞碰撞產生，而這可能涉及宇宙中14%的大質量恆星

圖解：雙黑洞和引力波示意圖。圖源：原文

愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞會形成、甚至相撞。他亦預言了相撞會產生引力波。但這有多常發生？我們又可以推算這涉及多少恆星嗎？

範德堡大學的物理學家嘗試在最新的研究中，找出其中的答案。

在2015年LIGO（雷射幹涉引力波天文臺）首次探測到引力波後，他們就引領全球步入了天文學的新時代。那些引力波源自約13億年前兩個大質量黑洞的碰撞。這再一次證明了愛因斯坦的理論是對的。

圖解：LIGO（位於在美國華盛頓州的雷射幹涉引力波天文臺）。圖源：University of Washington

從兩個黑洞的第一次碰撞開始，LIGO公布了偵測到的另外四十多個黑洞碰撞，併名其為「雙黑洞事件」。其中10項已被確認。首次發現黑洞碰撞的確是件令人興奮的事，但這種感覺漸漸減退。現在，天體物理學家們提出了不少疑問：

圖解：2015年探測引力波的過程，當中包含了兩個確認的信號。十月探測到的的太弱所以並不肯定。圖源：LIGO

圖解：LIGO探測到的其他由黑洞碰撞而發出的引力波。圖源：LIGO

「研究員已然可以從理論上解釋雙黑洞的形成與存在，但它們的前身，即恆星，仍是一個謎。」——範德堡大學的首席作者卡蘭·賈尼

卡蘭·賈尼是範德堡大學中專門研究黑洞的天體物理學家。他亦是LIGO裡有份參與首次檢測到引力波的科學家，並以這個項目成為了基礎物理學突破獎的共同獲獎者。

這項在《天文物理期刊通訊》發表的新研究名為「LIGO黑洞的全球恆星預算」，合著者是哈佛大學天文系主任亞伯拉罕·勒布。

百年前，愛因斯坦在廣義相對論中預測了黑洞會併合、並釋出引力波。至今，LIGO已探測到不少的雙黑洞事件。兩條問題就此浮現：恆星演化過程是如何產生這些大質量（>30 太陽質量）黑洞的？在宇宙的壽命中，兩個黑洞是如何靠近到可以融合的？

圖解：兩個黑洞靠近、盤旋、併合的繪圖。圖源：LIGO

「研究員已然可以從理論上解釋雙黑洞的形成與存在，但它們的前身，即恆星，仍是一個謎。 」範德堡大學天體物理學家、研究的首席作家卡蘭·賈尼說。 「透過這個項目，我們以現有的天體物理學觀測結果，對相撞的黑洞進行了一系列鑑識研究。在這個過程中，我們建立了一個基本限制、或者叫預算。它可以告訴我們宇宙中從一開始就註定以黑洞形式相撞的恆星比例。」

LIGO所探測到的首個雙黑洞引力波只維持了0.2秒，但碰撞中釋放的能量是宇宙中所有可觀測恆星之和的50多倍。每一個黑洞大約是30個太陽質量。

LIGO有黑洞併合的相關記載。研究員依靠著這些數據和愛因斯坦的廣義相對論去完成他們的研究。他們以LIGO的記錄，創建了宇宙時空資源在任何一點的清單。如範德堡大學的新聞稿所說，「他們接著就列出了能解釋雙黑洞過程中每一步的限制：如宇宙中可用恆星的數目、每一顆恆星演化為黑洞的過程、以及這些黑洞碰撞後的探測——在幾億年後才被LIGO以碰撞釋出引力波的方式接收到。

「從現有的觀測數據推算，宇宙中約14%的大質量恆星註定要以黑洞的形式碰撞。」——範德堡大學的首席作者卡蘭·賈尼

研究團隊所得出的數字是14%，但這個數字有一些條件。它只能應用於大於30太陽質量的黑洞、還有黑洞間的距離需與它們前身星的直徑相若。

圖解：大質量恆星示意圖。圖源：SciTechDaily

自然，這項研究有很多細節。它解釋，宇宙中有一個「質量預算」限制了可以演化成大於30太陽質量的黑洞的恆星數量。那些作者希望釐清前身星質量和黑洞的關係。但因為恆星的金屬度和它形成的時期都要被計算在內，這個關係並不簡單。

「從現有的觀測數據推算，宇宙中約14%的恆星註定要以黑洞的形態碰撞。這就是大自然驚人的效率。 」卡蘭·賈尼說。「在我們這個框架之上添加的限制，應該可以幫助研究員追蹤黑洞的歷史、拆解千古之謎和解鎖更多稀奇古怪的場景。」

FY: Rochelle Leung

作者：Evan Gough

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