宇宙中最大的黑洞可以透過劇烈合併形成

由卡迪夫大學領導的新研究分析了 LIGO-Virgo-KAGRA 重力瞬態波目錄 (GWTC4) 4.0 版本，其中包含 153 個黑洞合併的可靠檢測。

研究人員研究了目錄中最大的黑洞是否可能是「第二代」物體。在這種情況下，由垂死恆星形成的黑洞相互碰撞，然後在密集的星際環境中再次合併，其中恆星的堆積密度比太陽周圍的密度高一百萬倍。

研究結果發表於 自然天文學顯示重力波偵測到的最大質量黑洞屬於一個單獨的類別，其歷史與較小的黑洞截然不同。

重力波揭示了兩個黑洞群體

卡迪夫大學物理與天文學學院的主要作者法比奧·安東尼尼解釋說：“重力波天文學現在所做的不僅僅是計算黑洞合併。”

「它開始展示黑洞如何生長、在哪裡生長，以及它告訴我們關於大質量恆星的生與死的信息。這很令人興奮，因為我們可以利用這些信息來研究恆星和星團在宇宙中如何演化。”

透過分析重力波訊號，研究小組區分了兩組：

• 與正常恆星塌縮一致的低質量群體
• 更高品質的星團，自旋看起來與密集星團中分層合併所預期的相似。

研究人員表示，最重黑洞的自旋行為尤其具有啟發性。

卡迪夫大學歐內斯特·盧瑟福研究員伊索貝爾·羅梅羅-肖博士回憶道：“最讓我們驚訝的是，大質量黑洞作為一個獨特的群體脫穎而出。”

「與我們研究的通常旋轉緩慢的低質量系統不同，較高質量的系統與更快的自轉一致，方向看似隨機。如果黑洞反覆合併成緻密的星團，這正是你所期望的特徵。

“這使得星團的起源比以前的目錄更可信。”

黑洞「質量間隙」的證據。

這項研究也支持了天文物理學家幾十年來預測的神秘「質量間隙」的證據。根據這個理論，超過一定尺寸的恆星應該會劇烈爆炸，以至於被完全摧毀，而不是塌縮成黑洞。

這將創造一個禁區，在那裡直接由恆星形成的黑洞將不存在。

研究人員發現，這種轉變發生在比太陽質量大 45 倍的黑洞中。

安東尼尼博士說：「在我們的研究中，我們找到了人們期待已久的對不穩定性質量間隙的證據，即恆星不會留下黑洞的質量範圍。重力波探測器已經成功地發現了似乎位於該間隙中或附近的黑洞，我們確定其質量約為45個太陽質量。

「所以關鍵問題是，這些黑洞是否告訴我們我們的恆星演化模型是錯誤的，或者它們是以不同的方式來做的？

「目前樣本中最大質量的黑洞似乎告訴我們星團的動態，而不僅僅是恆星的演化。

「在大約 45 個太陽質量以上，自旋分佈的變化方式很難僅用普通恆星雙星來解釋，但如果這些黑洞較早合併成緻密星團，則可以自然地解釋。”

黑洞可以幫助科學家研究核物理

研究人員表示，這些發現可以幫助科學家研究大質量恆星深處的過程。

研究團隊利用質量間隙附近的轉變來研究與恆星核心中氦燃燒相關的重要核反應。

卡迪夫大學聯合研究員 Fani Dosopoulou 博士補充說：“未來，重力波數據可以幫助科學家研究核物理，因為對不穩定性所設定的質量限制取決於大質量恆星核心發生的核反應。”