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天文|宇宙中14%的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞

2015年首次探测到的引力波为黑洞碰撞产生 ， 而这可能涉及宇宙中14%的大质量恒星
【天文|宇宙中14%的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞】
天文|宇宙中14%的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞
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图解：双黑洞和引力波示意图 。 图源：原文

爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞会形成、甚至相撞 。 他亦预言了相撞会产生引力波 。 但这有多常发生？我们又可以推算这涉及多少恒星吗？

范德堡大学的物理学家尝试在最新的研究中 ， 找出其中的答案 。

在2015年LIGO（激光干涉引力波天文台）首次探测到引力波后 ， 他们就引领全球步入了天文学的新时代 。 那些引力波源自约13亿年前两个大质量黑洞的碰撞 。 这再一次证明了爱因斯坦的理论是对的 。

天文|宇宙中14%的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞
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图解：LIGO（位于在美国华盛顿州的激光干涉引力波天文台） 。 图源：University of Washington

从两个黑洞的第一次碰撞开始 ， LIGO公布了侦测到的另外四十多个黑洞碰撞 ， 并名其为「双黑洞事件」 。 其中10项已被确认 。 首次发现黑洞碰撞的确是件令人兴奋的事 ， 但这种感觉渐渐减退 。 现在 ， 天体物理学家们提出了不少疑问：

天文|宇宙中14%的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞
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图解：2015年探测引力波的过程 ， 当中包含了两个确认的信号 。 十月探测到的的太弱所以并不肯定 。 图源：LIGO

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图解：LIGO探测到的其他由黑洞碰撞而发出的引力波 。 图源：LIGO

「研究员已然可以从理论上解释双黑洞的形成与存在 ， 但它们的前身 ， 即恒星 ， 仍是一个谜 。 」——范德堡大学的首席作者卡兰·贾尼

卡兰·贾尼是范德堡大学中专门研究黑洞的天体物理学家 。 他亦是LIGO里有份参与首次检测到引力波的科学家 ， 并以这个项目成为了基础物理学突破奖的共同获奖者 。

这项在《天文物理期刊通讯》发表的新研究名为「LIGO黑洞的全球恒星预算」 ， 合著者是哈佛大学天文系主任亚伯拉罕·勒布 。

百年前 ， 爱因斯坦在广义相对论中预测了黑洞会并合、并释出引力波 。 至今 ， LIGO已探测到不少的双黑洞事件 。 两条问题就此浮现：恒星演化过程是如何产生这些大质量（>30 太阳质量）黑洞的？在宇宙的寿命中 ， 两个黑洞是如何靠近到可以融合的？

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图解：两个黑洞靠近、盘旋、并合的绘图 。 图源：LIGO

「研究员已然可以从理论上解释双黑洞的形成与存在 ， 但它们的前身 ， 即恒星 ， 仍是一个谜 。」范德堡大学天体物理学家、研究的首席作家卡兰·贾尼说 。「透过这个项目 ， 我们以现有的天体物理学观测结果 ， 对相撞的黑洞进行了一系列鉴识研究 。 在这个过程中 ， 我们建立了一个基本限制、或者叫预算 。 它可以告诉我们宇宙中从一开始就注定以黑洞形式相撞的恒星比例 。 」

LIGO所探测到的首个双黑洞引力波只维持了0.2秒 ， 但碰撞中释放的能量是宇宙中所有可观测恒星之和的50多倍 。 每一个黑洞大约是30个太阳质量 。

LIGO有黑洞并合的相关记载 。 研究员依靠着这些数据和爱因斯坦的广义相对论去完成他们的研究 。 他们以LIGO的记录 ， 创建了宇宙时空资源在任何一点的清单 。 如范德堡大学的新闻稿所说 ， 「他们接着就列出了能解释双黑洞过程中每一步的限制：如宇宙中可用恒星的数目、每一颗恒星演化为黑洞的过程、以及这些黑洞碰撞后的探测——在几亿年后才被LIGO以碰撞释出引力波的方式接收到 。

「从现有的观测数据推算 ， 宇宙中约14%的大质量恒星注定要以黑洞的形式碰撞 。 」——范德堡大学的首席作者卡兰·贾尼

研究团队所得出的数字是14% ， 但这个数字有一些条件 。 它只能应用于大于30太阳质量的黑洞、还有黑洞间的距离需与它们前身星的直径相若 。

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图解：大质量恒星示意图 。 图源：SciTechDaily

自然 ， 这项研究有很多细节 。 它解释 ， 宇宙中有一个「质量预算」限制了可以演化成大于30太阳质量的黑洞的恒星数量 。 那些作者希望厘清前身星质量和黑洞的关系 。 但因为恒星的金属度和它形成的时期都要被计算在内 ， 这个关系并不简单 。


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