红旗不倒

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黑洞双星系统是怎么形成的,有可能出现的原因?

2019-11-13 15:48:16 显示全部楼层
几位理论天文学家用电脑模拟的方式,提出了形成黑洞双星系统的可能原因。

LIGO宣佈发现重力波事件GW150914之后,正式开启了重力波天文学的领域。根据LIGO所发表的结果,这个重力波事件是由两个质量分别为36跟29个太阳质量的黑洞,合併而成一个质量为62个太阳质量的黑洞,放出的重力波总能量相当于三个太阳质量。LIGO所观测到的重力波可以说是这两个黑洞合併过程中,相互绕行旋转的实况纪录,总共约持续了0.2秒。换句话说,LIGO看到了整个黑洞合併过程的最后0.2秒。


相互绕行到最后两者合一的黑洞双星系统GW150914 (by LIGO, Wikimedia Commons)


那么,在这个0.2秒的过程之前,发生了什么事情?这两个黑洞是怎么样形成的?从形成黑洞到相互绕行到最后两者合一,总共花了多少时间?几位澳洲与美国的天文学家决定利用电脑模拟来研究这个问题。根据他们的计算结果,这两个黑洞从形成到合併的过程大概是这个样子:

大约在大爆炸后20亿年,在一个氢原子密度较高的区域中,出现了两个质量各约在40到100个太阳质量的星体。一般而言,这种质量较高的星体要在宇宙早期才有办法形成。如果有办法观察到的话,会发现他们比太阳更大更亮,可以说是宇宙中最明亮的星体之一。

当这两个星体以双星系统的形式相互运行了大约四百万年之后,其中一个星体就变成了黑洞。特别的是,在变成黑洞的时候,并没有经过超新星爆炸的过程。虽然物理学家雨天文学家对这种从星球直接变成黑洞的过程还有些争议,但是如果这个过程成立,那么便可以解释为什么这个黑洞的质量可以高达几十个太阳质量。因为如果发生了超新星爆炸,大部分的质量就会随著爆炸而散失掉。

当其中一个星体变成黑洞后,这个双星系统依旧持续相互绕行。这时双星系统中的黑洞开始吸取第二个星体的氢气,使得第二个星体慢慢的变成一个核状的结构,最后又以没有发生超新星爆炸的形式变成黑洞。到这边为止,整个过程大约需时数百万年。

接著这个黑洞双星系统继续相互绕行,相互吸引,长达约一百亿年,最后相互碰撞放出重力波,并在宇宙中传递了12亿年后抵达地球,被LIGO侦测到,并被命名为GW150914。

整个过程由形成星体到放出重力波,到最后被侦测到,花了接近120亿年。这是一个非常非常漫长的过程。

如果这个模拟是对的,那么在这两个黑洞诞生的地方应该比起宇宙的其他角落会具有更高的氢原子密度。所以当未来有重力波被超过三部重力波侦测器侦测到的话,那么便可以定位出重力波发生的位置,并利用其他的天文观测技术验证那个特定区域是否有更多的氢原子。如果那个区域有够多的氢原子,那么形成其他星体的机率应该也会较大。所以或许透过侦测到这种大质量黑洞合併的事件,我们可以观察到宇宙早期形成星球的主要区域,进而增加我们对宇宙早期演化的认识。

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