密集的星团是黑洞“巨型合并”的家园

密集的星团促进黑洞巨型合并

这张模拟快照显示了一个在稠密星团中心形成的双黑洞。图片:西北可视化/Carl Rodriguez

密集星团中的黑洞可以反复组合,形成比单个恒星所能产生的任何东西都大的物体。

什么时候利奥他们的两个探测器首先在各自相同的镜子上发现了微弱的摆动,信号不仅仅是第一次直接探测到引力波- 它还证实了恒星二进制黑洞的存在,这首先得到了信号。

恒星双黑洞是由大质量恒星的残余形成的两个黑洞开始相互绕转时形成的。最终,两个黑洞在壮观的碰撞中合并,根据爱因斯坦的广义相对论,这将以引力波的形式释放出大量能量。

现在,一个由国际团队领导的麻省理工学院天体物理学家卡尔·罗德里格斯认为,黑洞可能会多次配对合并,产生比单个恒星形成的黑洞质量更大的黑洞。这些“第二代合并”应该来自球状星团——通常位于星系边缘的小空间区域,里面充满了几十万到数百万颗恒星。

“我们认为这些簇用数百到数千个黑洞形成的群体在中心迅速下沉,”麻省理工学院的物理系和天体物理学和空间研究所的Kavli研究所Pappalardo研究员Carl Rodriguez。“这些群集是基本的工厂黑洞二进制文件,你有这么多黑洞,在一个空间的一个空间中,两个黑洞可以合并并产生更加巨大的黑洞。然后那个新的黑洞可以找到另一个伴侣并再次合并。“


一个模拟显示了一个星团中心的50个黑洞的动力学,其中两个单个黑洞最终形成了一个双黑洞。视频:西北可视化/Carl Rodriguez

如果LIGO探测到一个双星,其黑洞成分的质量大于50个太阳的质量,那么根据该小组的结果,这个物体很有可能不是来自单个恒星,而是来自一个密集的星团。

罗德里格斯说:“如果我们等待的时间足够长,最终LIGO将看到只有来自这些星团的东西,因为它将比你从单个恒星上得到的任何东西都要大。”

他和他的同事在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。

黑洞megamergers.

一个模拟显示了一个具有相对论效应的双黑洞(橙色)和一个单黑洞(蓝色)之间的相遇。最终,两个黑洞释放出引力波并合并,形成一个新的黑洞(红色部分)。图片:卡尔·罗德里格斯

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在过去几年中,Rodriguez研究了球状簇内的黑洞的行为,以及它们的相互作用是否与占据空间中较少人口稠密的地区的黑洞不同。

在大多数星系中都可以找到球状星团,它们的数量随着星系的大小而变化。例如,巨大的椭圆星系,拥有数以万计的恒星团,而我们自己的星系银河大约有200个星团,最近的星团距离地球约7000光年。

在他们的新论文中,罗德里格斯和他的同事使用了一台名为Quest的超级计算机西北大学,模拟24个恒星簇内的复杂,动态相互作用,范围为200,000至200万颗恒星,覆盖一系列不同的密度和金属组合物。仿真模型在与其他恒星的相互作用之后,在12亿多年内,这些集群中的各个恒星的演变。最终,黑洞的形成和演变。仿真还模拟了一旦它们形成的黑洞的轨迹。

罗德里格斯说:“有趣的是,由于黑洞是这些星团中质量最大的物体,它们会向中心下沉,在那里你会得到足够高的密度的黑洞来形成双星。”“双星黑洞基本上就像悬挂在星系团中的巨大目标,当你把其他黑洞或恒星扔向它们时,它们会经历这些疯狂的混乱遭遇。”

这都是相对而言的

在运行他们的模拟时,研究人员增加了以前努力模拟球簇的努力中缺少的关键成分。

“过去的人们所做的就是把它视为纯粹的牛顿问题,”Rodriguez说。“牛顿的重力理论占所有病例的99.9%。少数案例可能是当你非常密切地彼此有两个黑洞嗖嗖嗖嗖嗖嗖地,通常不会发生在大多数星系中。“

牛顿的相对论假设,如果两个黑洞从一开始就不受束缚,那么它们中的任何一个都不会影响另一个,它们只是简单地擦肩而过,没有任何变化。这条推理线源于牛顿未能认识到引力波的存在——爱因斯坦后来预测引力波会产生于巨大的轨道物体,比如两个近距离的黑洞。

“在爱因斯坦的一般相对论的理论中,在我可以发出引力波的情况下,当一个黑洞接近另一个靠近另一个黑洞时,它实际上可以发出一个微小的引力波脉冲,”罗德里格兹解释说。“这可以从系统中减去足够的能量,即两个黑洞实际被束缚,然后它们会迅速合并。”

研究小组决定将爱因斯坦的相对论效应加入到他们对球状星团的模拟中。在进行了模拟之后,他们观察到在星系团内部,黑洞相互融合,产生了新的黑洞。如果没有相对论效应,牛顿引力预测大多数双黑洞会在它们合并之前被其他黑洞踢出星系团。但考虑到相对论效应,罗德里格斯和他的同事们发现,近一半的双黑洞与它们的星系团合并,产生了比由恒星形成的黑洞质量更大的新一代黑洞。星系团内的新黑洞会发生什么是自旋的问题。

罗德里格斯说:“如果两个黑洞在合并时旋转,它们创造的黑洞将会向一个首选方向发射引力波,就像火箭一样,创造一个新的黑洞,它可以以每秒5000公里的速度发射出去——所以,快得令人疯狂。”“要逃离这些星系团,可能只需每秒几十到100公里的脉冲。”

由于这种效应,科学家们在很大程度上认为,任何黑洞合并的产物都会被踢出星系团,因为大多数黑洞都在快速旋转。

然而,这种假设似乎与Ligo的测量相矛盾,这仅仅是检测到具有低旋转的二进制黑洞。为了测试这一点的含义,Rodriguez在他的模拟中拨打了黑洞的旋转,发现在这种情况下,从簇中的近20%的二进制黑孔具有至少一个在先前合并中形成的黑洞。因为它们由其他黑洞形成,所以这些第二代黑洞中的一些可以在50至130个太阳能质量范围内。科学家认为这种质量的黑洞不能从一个星星形成。

Rodriguez说,如果像LIGO这样的引力波望远镜探测到质量在这个范围内的物体,那么它很有可能不是来自单个坍缩的恒星,而是来自一个密集的星团。

罗德里格斯说:“我和我的合著者们打赌说,在LIGO探测到的前100个星系中,LIGO将会探测到一些位于上质量间隙内的东西。”“如果这是真的,我会得到一瓶好酒。”

这项研究得到了麻省理工学院物理学帕帕拉多研究员的部分支持,美国宇航局, the National Science Foundation, the Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) at Northwestern University, the Institute of Space Sciences (ICE, CSIC) and Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), and the Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, India.

发表:Carl L. Rodriguez等,“高密度星团中的后牛顿动力学:高度偏心、高度旋转和重复双黑洞合并”,物理评论快报,2018;DOI:10.1103 / physrevlett.120.151101

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