模擬演示：由大恒星碰撞引發(fā)的巨型黑洞

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巨型恒星碰撞后會發(fā)生什么往往很難精確地預測，但意大利帕多瓦大學（University of Padova）的DEMOBLACK團隊首次通過流體力學模擬對此進行推演，其結(jié)果指向一些奇特的效應，其中就包括巨型黑洞在恒星孕育帶中的產(chǎn)生，這個區(qū)域中的巨大恒星彼此距離很近。

天體物理學家Michela Mapelli于2022年4月11日星期一下午1:30（美國東部時間）在美國物理協(xié)會舉辦的4月會議上展示了此模型的模擬結(jié)果。會議在紐約市線下和線上同時進行。Mapelli以接入會議的形式介紹她的研究發(fā)現(xiàn)，并且參加了4月9日星期六上午10點（美國東部時間的）網(wǎng)絡新聞發(fā)布會。DEMOBLACK項目的研究成員除了Mapelli外還包括天體物理學家Alessandro Ballone和Guglielmo Costa。

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Mapelli的模型回應了有關(guān)引力波場天文的一個緊迫問題：兩個相距遙遠的黑洞如何結(jié)合產(chǎn)生了GW190521，這是一個在2019年由LIGO和Virgo探測到的強大引力波場。GW190521的信號中發(fā)現(xiàn)了黑洞融合所攜帶的特征信息，碰撞的前身是兩個分別為85倍和66倍太陽質(zhì)量的黑洞，最終產(chǎn)生了一個質(zhì)量超過140倍太陽的黑洞殘骸。然而費解的地方在于，參與碰撞的黑洞質(zhì)量處于“質(zhì)量缺口”區(qū)域，即其質(zhì)量大于恒星質(zhì)量黑洞（約20倍太陽質(zhì)量），而小于超大質(zhì)量黑洞。物理學家們尚不確認質(zhì)量處于這個區(qū)域的天體能否形成黑洞。

Mapelli和她的合作者曾在LIGO-Virgo觀測結(jié)果公布前的一年就通過研究發(fā)現(xiàn)，恒星碰撞是可以在質(zhì)量缺口上形成黑洞的。他們起先沒有將流體力學納入模擬，然而引力波GW190521的發(fā)現(xiàn)推進了他們在碰撞應用流體力學的模擬計算。根據(jù)DEMOBLACK的模擬計算，如此的龐然大物可能產(chǎn)生于大質(zhì)量恒星的融合，比如密集分布于恒星孕育帶中的那些大質(zhì)量恒星可能出現(xiàn)此類融合。此前科學家中低質(zhì)量恒星的碰撞進行了計算模擬，但Mapelli的研究則首次計算了大質(zhì)量恒星碰撞的情況。她稱：“還沒有人對如此大質(zhì)量的恒星碰撞進行過模擬。”

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Mapelli將在APS會議上展示大質(zhì)量雙子黑洞在年輕星團中的動力學演化過程。模型從兩顆恒星為對象開始，其中一顆是主序星，即演化初期的恒星，質(zhì)量約為太陽的40倍。Mapelli解釋說：“主序星主要由氫氣構(gòu)成，而另一顆恒星的年齡更大，內(nèi)核由緊密的氦填充形成，其質(zhì)量大約為太陽的60倍，是一顆半徑和質(zhì)量都很大、內(nèi)核密度和外殼密度差距也極其大的恒星。”這些恒星在某些假設條件下可能會坍縮成一個質(zhì)量超過50個太陽的黑洞，其后便演化成雙子黑洞。Mapelli認為這類恒星碰撞可以演化形成質(zhì)量超過40個太陽的黑洞，而且之后的反復碰撞和融合又會產(chǎn)生質(zhì)量范圍約為太陽的100倍到10000倍之間的黑洞。

自從《物理評論快報》（Physical Review Letters）2020年對引力波GW190521觀測數(shù)據(jù)進行報道后，理論物理學家就一直在探尋其背后的動力學原理。一種觀點認為，此類雙子黑洞中可能包含原始黑洞，它們不是由恒星內(nèi)核坍塌所形成的，而是來自早期宇宙的遺留物。而另一種觀點則認為，恒星的碰撞發(fā)生在某個超大質(zhì)量黑洞周圍的密集氣體盤內(nèi)，隨后的融合過程中可能產(chǎn)生了一個電磁耀斑，觀測數(shù)據(jù)也能支持這一理論。

Mapelli對此研究保持開放性：“我們無法確定恒星碰撞是GW190521事件的唯一解釋，模擬并不排斥其他假說，我們也需要考慮其他兩種解釋的可能性。”

翻譯：范嘉豪

審校：董子晨曦

引進來源：美國物理學會（American Physical Society）

本文來自：中國數(shù)字科技館

原標題：模擬演示：由恒星碰撞引發(fā)的巨型黑洞

標簽： 質(zhì)量超過 流體力學 巨型黑洞 模擬計算 太陽質(zhì)量