引力波GW190521的神秘起源：星體碰撞為巨大的黑洞提供能量

天體物理學家Michela Mapelli在2022年APS四月會議的一次會議上描述了新的模擬和它的預測。混合學術會議在紐約市和網上舉行，除了Mapelli之外，DEMOBLACK項目人員還包括天體物理學家Alessandro Ballone和Guglielmo Costa。

Mapelli的模型為引力波天文學領域的一個緊迫問題提出了答案：兩個遙遠的黑洞是如何結合起來產生GW190521的？這是高級LIGO和Virgo在2019年探測到的一個強大引力波？GW190521的信號具有黑洞合并的特征形式。在這種情況下，它是在兩個質量為85和66太陽質量的原生黑洞之間。它們的碰撞產生了一個質量超過太陽140倍的黑洞殘骸。引力波是由加速的質量引起的時空曲率的擾動或漣漪，以波的形式從源頭向外傳播。

但是，這次合并是一個令人撓頭的問題。它比恒星質量的黑洞要大，而恒星質量的黑洞是由恒星核心坍縮形成的，比超大質量的黑洞要小。它的質量使它處于一個"質量缺口"--物理學家們不確定黑洞是否能夠形成的范圍。

在LIGO-Virgo觀測結果公布前一年，Mapelli和她的合作者首次預測，恒星碰撞可能導致黑洞在質量間隙中形成。然而，在他們了解更多關于GW190521的信息之前并沒有進行流體力學模擬。因此研究就在這個地方開始展開。

根據DEMOBLACK模擬，當大的恒星，比如那些在恒星托兒所中密密麻麻的恒星結合在一起時，可能會出現這樣一個龐然大物。以前的模擬已經模擬了低質量和中等質量恒星之間的碰撞，但是Mapelli的工作第一次描述了巨無霸砸在一起之后發生的情況。"她說："沒有人對如此巨大的恒星的碰撞進行過模擬。

在APS會議上，Mapelli描述了可能作為年輕星團中大質量雙星黑洞形成基礎的動力學過程。模擬開始于兩顆恒星，其中一顆處于主序階段，也就是物理上未進化的恒星，質量大約是太陽的40倍，它大部分是新鮮的氫氣。另一顆恒星比較老，大約有60個太陽質量，并且有一個緊湊的氦核心。這意味著半徑非常大，質量很大，核心和外部的密度對比很大。在某些假設下，這些恒星可能坍縮成一個超過50個太陽質量的黑洞。而這些黑洞又可能形成雙星并最終合并。這些類型的恒星交換和碰撞可以建立起質量超過40個太陽的雙體黑洞。反復的碰撞和合并可以產生質量高得多的黑洞，大約是太陽質量的100到10000倍。

自從2020年《物理評論快報》報道了對GW190521的觀測以來，理論家們一直在尋求對其背后的動態過程做出嚴格的解釋。一個相互競爭的觀點認為，雙星包括原始黑洞，這意味著它們不是來自于恒星核心的坍塌，而是來自于早期宇宙的遺留。另一個觀點得到了觀察的支持，即合并可能產生了一個電磁耀斑，表明碰撞發生在一個超大質量黑洞周圍的密集氣體盤內。

Mapelli說，她的工作并沒有排除這些其他的解釋。"我們不確定這種碰撞是對190521這樣的事件的唯一可能的解釋，"她說。"這個模擬并沒有拒絕其他的可能，但我們最需要考慮其中的三個"。