引力波GW190521的神秘起源星体碰撞为巨大的黑洞提供能量

　　我们很难确定地预测巨型恒星碰撞时会发生什么，但意大利帕多瓦大学的DEMOBLACK团队首次进行的新的流体力学模拟指出了一系列奇特的结果。这些结果包括在恒星托儿所建立大质量黑洞，在那里大恒星紧紧地居住在一起。
　　天体物理学家MichelaMapelli在2022年APS四月会议的一次会议上描述了新的模拟和它的预测。混合学术会议在纽约市和网上举行，除了Mapelli之外，DEMOBLACK项目人员还包括天体物理学家AlessandroBallone和GuglielmoCosta。
　　Mapelli的模型为引力波天文学领域的一个紧迫问题提出了答案：两个遥远的黑洞是如何结合起来产生GW190521的？这是高级LIGO和Virgo在2019年探测到的一个强大引力波？GW190521的信号具有黑洞合并的特征形式。在这种情况下，它是在两个质量为85和66太阳质量的原生黑洞之间。它们的碰撞产生了一个质量超过太阳140倍的黑洞残骸。引力波是由加速的质量引起的时空曲率的扰动或涟漪，以波的形式从源头向外传播。
　　但是，这次合并是一个令人挠头的问题。它比恒星质量的黑洞要大，而恒星质量的黑洞是由恒星核心坍缩形成的，比超大质量的黑洞要小。它的质量使它处于一个质量缺口物理学家们不确定黑洞是否能够形成的范围。
　　在LIGOVirgo观测结果公布前一年，Mapelli和她的合作者首次预测，恒星碰撞可能导致黑洞在质量间隙中形成。然而，在他们了解更多关于GW190521的信息之前并没有进行流体力学模拟。因此研究就在这个地方开始展开。
　　根据DEMOBLACK模拟，当大的恒星，比如那些在恒星托儿所中密密麻麻的恒星结合在一起时，可能会出现这样一个庞然大物。以前的模拟已经模拟了低质量和中等质量恒星之间的碰撞，但是Mapelli的工作第一次描述了巨无霸砸在一起之后发生的情况。她说：没有人对如此巨大的恒星的碰撞进行过模拟。
　　在APS会议上，Mapelli描述了可能作为年轻星团中大质量双星黑洞形成基础的动力学过程。模拟开始于两颗恒星，其中一颗处于主序阶段，也就是物理上未进化的恒星，质量大约是太阳的40倍，它大部分是新鲜的氢气。另一颗恒星比较老，大约有60个太阳质量，并且有一个紧凑的氦核心。这意味着半径非常大，质量很大，核心和外部的密度对比很大。在某些假设下，这些恒星可能坍缩成一个超过50个太阳质量的黑洞。而这些黑洞又可能形成双星并最终合并。这些类型的恒星交换和碰撞可以建立起质量超过40个太阳的双体黑洞。反复的碰撞和合并可以产生质量高得多的黑洞，大约是太阳质量的100到10000倍。
　　自从2020年《物理评论快报》报道了对GW190521的观测以来，理论家们一直在寻求对其背后的动态过程做出严格的解释。一个相互竞争的观点认为，双星包括原始黑洞，这意味着它们不是来自于恒星核心的坍塌，而是来自于早期宇宙的遗留。另一个观点得到了观察的支持，即合并可能产生了一个电磁耀斑，表明碰撞发生在一个超大质量黑洞周围的密集气体盘内。
　　Mapelli说，她的工作并没有排除这些其他的解释。我们不确定这种碰撞是对190521这样的事件的唯一可能的解释，她说。这个模拟并没有拒绝其他的可能，但我们最需要考虑其中的三个。