引力波顯示黑洞在碰撞前更喜歡特定的質量

2025-12-10 02:54:39 分類：娛樂 閱讀(1669)

藝術家對物質從一顆恒星剝離到另一顆恒星的印象，去除了它們的波顯氫外殼(圖片來源:uux.cn/ESO/M. Kornmesser/S. E. de Mink)
（神秘的地球uux.cn）據美國太空網（基思·庫珀）：根據對兩個黑洞碰撞和合并時釋放的引力波“啁啾聲”頻率的一項新研究，黑洞傾向于形成大約兩個“通用”質量，示黑相當于我們太陽質量的洞碰定9倍和16倍。這些發現可能最終為獨立測量宇宙膨脹鋪平道路。撞前質量
自2015年以來，更喜在專門為尋找時空中這些信息豐富的歡特波紋而建造的站點上，探測器已經識別出90起引力波事件。引力這包括一些實驗室，波顯如美國的示黑激光干涉引力波天文臺(LIGO)，它的洞碰定姐妹站，意大利的撞前質量處女座和日本的神岡引力波探測器(KAGRA)。每次合并都會產生所謂的更喜啁啾聲，這是歡特一種引力波爆炸，隨著兩個黑洞在碰撞和合并前彼此越來越靠近，引力頻率迅速增加。這種啁啾聲的頻率和振幅與已經合并的黑洞質量有關；它們的組合質量有時被稱為“啁啾質量”
“當兩個黑洞合并時，它們產生的引力波在地球上可以被‘聽到’，”德國海德堡理論研究所的天體物理學家、該研究的作者伊娃·拉普拉斯告訴Space.com。“通過收聽這些啁啾聲并對其進行分析，就有可能測量出遙遠的合并黑洞的組合質量。”
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恒星質量的黑洞是在大質量恒星死亡時形成的。雖然在某些情況下，大質量恒星會爆炸成為超新星，并留下致密的中子星，但在其他情況下，不會發生爆炸。相反，恒星的核心在重力作用下嚴重坍塌，形成黑洞，最終導致恒星的其余部分在其周圍塌陷。
這些黑洞的質量決定了它們合并時發出的引力波啁啾聲的頻率，也與形成它們的恒星的質量有關。因此，人們會認為宇宙中存在各種各樣的恒星質量黑洞，反映了它們的前身恒星的各種質量，事實上大多數情況都是如此。然而，天文學家很難找到更多與引力波事件有關的黑洞，這些黑洞的質量約為8-9個太陽質量和14-16個太陽質量，但出于某種原因，幾乎沒有質量介于兩者之間的黑洞。
現在，拉普拉斯與天體物理學家Fabian Schneider和同樣來自德國海德堡理論研究所的Philip Podsiadlowski一起進行的新研究，解決了這種明顯偏好合并黑洞以收斂于某些質量而不是其他質量的問題。
施耐德告訴Space.com:“我們的研究表明，在9到16個太陽質量之間，黑洞質量總是有差距的。”
大質量恒星內部發生了什么
質量差的存在是由一顆大質量恒星在接近其壽命終點時內部發生的事情決定的。
年輕的恒星通過其固有的核聚變過程在其核心“燃燒”氫；在大質量恒星中，這一過程的主要版本被稱為碳-氮-氧(CNO)循環。這指的是涉及氫和那些元素的一長串反應，最終產生氦并釋放大量能量為恒星提供動力。然而，一旦恒星的核心耗盡氫，其能量生產就會減弱。沒有足夠的能量支撐恒星，地核在重力作用下開始收縮。這使得地核的溫度上升了數百萬攝氏度，直到它的溫度和密度足以開始燃燒氦并暫時停止收縮。
在這個階段，恒星就像一個洋蔥，有各種層次。它的核心是燃燒的氦。核心周圍是一層未燃燒的氦，通常情況下，它周圍是一層殼，仍在燃燒一些剩余的氫，產生更多的氦，沉入恒星核心。這些額外的氦進一步增加了核心的質量和溫度，加速了控制恒星演化的核反應。最終，這將導致一顆超新星，通常要么是一顆中子星，要么是一個孤獨的黑洞，這取決于恒星核心的致密性(對于具有130-250個太陽質量和相當原始的化學成分的恒星，它們有時會爆炸，并在所謂的雙不穩定性超新星中徹底毀滅自己，什么也不會留下)。

二元黑洞發射的引力波螺旋走向合并的插圖(圖片來源:uux.cn/LIGO/T .派爾)
相比之下，黑洞合并是大規模雙星系統的產物。在它們仍然作為恒星存在的時候，這兩個親密的伙伴能夠互相竊取物質，剝去彼此燃燒氫的外殼。沒有這層殼，恒星的核心就不會獲得額外的氦，從而改變恒星的進化軌跡。失去氫殼的恒星核心內部的條件是熱中微子——自發形成的微小幽靈般的粒子——逃離恒星，帶走了部分核心熱能。這降低了核心的溫度，減緩了核反應。結果是能量生產的減少，這使得地核在重力作用下進一步收縮。這導致了一個非常致密的核心，當恒星耗盡所有核燃料并死亡時，它會坍縮形成一個黑洞。
在雙星系統中，這可能導致兩個黑洞最終隨著引力波的啁啾聲合并。
施耐德說:“由于中微子丟失、核燃燒和核心收縮之間的復雜相互作用，我們發現特定核心質量的恒星更容易坍縮成黑洞，而不是作為超新星爆炸并留下中子星。”
根據Schneider，Laplace和Podsiadlowski的計算，這種相互作用導致了常見的黑洞質量。在他們的模型中，黑洞質量傾向于收斂于兩個值，分別是我們太陽質量的9倍和16倍。這些值非常接近引力波數據中觀察到的峰值，大約是8到14個太陽質量，所以它們不完全匹配，但仍在觀察不確定性范圍內。
測量宇宙的膨脹
某些質量的黑洞的存在不僅告訴我們關于大質量恒星的物理學，而且也給天文學家提供了另一種測量宇宙膨脹率的方法，即哈勃常數。這在最近幾年受到了關注，因為不同的方法給出了相互矛盾的哈勃常數值。
引力波啁啾的頻率主要取決于所涉及的黑洞的總質量，但其中一部分也與它們的紅移有關，紅移告訴我們它們的距離，因為它們越遠，宇宙的膨脹就越使它們向更長的波長移動。
到目前為止，還不可能將黑洞質量從啁啾的紅移中分離出來。然而，知道大部分黑洞具有這些普遍質量給了科學家一個優勢。
施耐德說:“然后，我們可以采用統計方法將質量從紅移中分離出來。”這項技術將需要比我們目前擁有的更多的引力波事件樣本，但原則上，它將提供一種從紅移中測量哈勃常數的方法，這種方法獨立于涉及標準燭光的方法，如Ia型超新星。
一個更大的引力波事件樣本可能即將到來。一個新的涉及LIGO、室女座和KAGRA的為期20個月的觀測活動最近已經開始，目的是發現另外300個事件。我們很快就會知道，新的結果是否增強了宇宙質量分布的峰值，以及它們之間的差距。
這些發現發表在天體物理學雜志《快報》上。