引力波显示黑洞在它们碰撞之前更喜欢某些质量

By Keith Cooper

2023/8/15

Science & Astronomy

一个对我们的太阳质量的9倍和16倍的偏好已经被在到现在为止探测到的引力波事件中识别。

艺术家的物质被从一颗恒星剥离去除它们的氢包层到另一颗恒星的印象。 (Image credit: ESO/M. Kornmesser/S. E. de Mink)

按照一项当两个黑洞碰撞和合并时释放的引力波“啁啾”频率的新研究，黑洞有一种围绕两个相当于我们的太阳质量的9倍和16倍“宇宙”质量形成的偏好。这些发现最终可能为一个独立的宇宙膨胀的测量铺平道路

自2015年以来，探测器已经在专门的建于来发现空时中这些富信息的涟漪的场所中识别了90个引力波事件。这包括美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）、意大利的姊妹站点处女座和日本的神冈引力波探测器（KAGRA）等实验室。每次合并都会产生所谓的一个啁啾声，这是一种在碰撞和合并之前随两个黑洞螺旋越来越靠近彼此环绕引力波的频率迅速增加引力波的爆炸。这种啁啾的频率和振幅被连接到已经合并的黑洞的质量，它们的组合质量有时被指为“啁啾质量”。

德国海德堡理论研究所的天体物理学家该研究的作者艾娃拉普拉斯告诉太空网站， “当两个黑洞合并时它们会产生能被在地球上'听到'的引力波，通过聆听这些啁啾声和分析它们，来测量遥远合并黑洞的结合的质量是可能的”。

恒星质量黑洞在一颗大质量恒星死亡期间形成。虽然在某些情况下，一颗大质量恒星会像超新星一样爆炸并留下一个致密的中子星，但在其他情况下没有爆炸。相反，恒星的核在引力下坍缩如此严重它形成一个最终造成恒星的其余部分在环绕它中塌陷。

这些造成的黑洞的质量决定当它们合并时发射的引力波啁啾的频率，也被相关到形成它们的恒星的质量。因此，人们会期望宇宙中存在各种各样的恒星质量黑洞，反映它们的前身恒星的各种质量，真的情况大多如此。然而，天文学家一直困惑来发现更多与引力波事件相关的有约为8-9个太阳质量和14-16个太阳质量的黑洞，但由于某种原因，几乎没有介于两者之间的质量。

现在，由拉普拉斯与天体物理学家法比安施耐德和德国海德堡理论研究所的菲利普颇得西亚楼斯基一起进行的新研究解决了这种表观的合并黑洞来聚集在某些质量上而不是其他质量上的偏好。

施耐德告诉太空网站， “我们的研究显示在黑洞质量在9到16个太阳质量之间总有一个差距”。

在大质量恒星内部发生的

质量差距的存在被在一颗大质量恒星随它接近它的生命尽头内部发生的事情统治。

年轻的恒星经由它们固有的核聚变过程在它们的核中“燃烧”氢，在大质量恒星中，这一过程的统治版本被称为碳 - 氮 - 氧（CNO）循环。这指一个涉及氢的长链反应，加上那些元素，最终产生氦并释放大量能量为恒星提供动力。然而，一旦恒星的核耗尽氢，它的能量生产下跌。没有足够的能量来支撑起恒星，核在引力下开始来收缩。这会将核的温度增加数百万摄氏度，直到它足够热和密集来开始燃烧氦并暂时的停止收缩。

在这个阶段，恒星就像一个有各种层次的洋葱。它的核是燃烧的氦。核周围是一层非燃烧的氦，通常，在它周围是一个仍在燃烧一些剩余的氢来产生更多的氦沉入恒星核的壳。这种额外的氦进一步增加了核的质量和温度，加速控制恒星演化的核反应。最终，这导致一个超新星，通常要么是一个中子星要么一个孤独黑洞，取决于恒星核的紧凑性（对于有130-250个太阳质量和相当原始化学成分的恒星，它们有时能爆炸并在一个所谓的不稳定对超新星中彻底摧毁自己，什么都没有留下）。

由双黑洞螺旋朝向合并发射的引力波的描画。(Image credit: LIGO/T. Pyle)

相比之下，黑洞合并是大质量双星系统的产物。在它们仍作为恒星存在的时间里，亲密的同伴能够从彼此窃取物质，剥去彼此的燃烧氢的外壳。没有这个外壳，一个恒星的核就不会获得额外的氦，这改变恒星的演化轨迹。在一个已经失去它的氢壳的恒星核内部的条件是这样的，热中微子------自发形成的微小的幽灵一样粒子------逃离恒星，随它们携带一些核的热能。这降低了核的温度并减缓了核反应。结果是一个能量产生中的减少，这允许核在引力上收缩更多一些。这导致一个非常密集的核当恒星耗尽所有它的核燃料并死亡时能坍塌来形成一个黑洞。

在双星系统中，这能导致两个黑洞最终以一个引力波的啁啾合并。

施耐德说，“因为一个中微子损失、核燃烧和核收缩之间的复杂相互作用，我们发现特定核质量的恒星更容易坍缩成黑洞，而不是像超新星爆炸并留下中子星一样”。

按照施耐德、拉普拉斯和波德西亚德洛夫斯基的计算。这种相互作用导致共同的黑洞质量。在他们的模型中，黑洞质量倾向于收敛在两个值上，分别是我们太阳质量的9倍和16倍。这些值非常接近已经被在引力波数据中观察到的峰值，它们的质量约为8和14个太阳质量，因此它们并不完全匹配，但仍在观测的不确定性范围内。

测量宇宙膨胀

某些质量黑洞的普遍存在不仅告诉我们关于大质量恒星的物理学，而且还为天文学家提供另一种测量宇宙膨胀率叫哈勃常数的方法。近年来，这已成为人们关注的焦点，因为不同的方法给出哈勃常数相互矛盾的值。

引力波啁啾的频率主要取决于所涉及的黑洞的结合的质量，但其中一部分也被相关到它们的红移，这告诉我们它们的距离，因为它们离得越远，宇宙的膨胀就越将它们转移到更长的波长。

到目前为止，来将黑洞质量与啁啾中的红移分开一直是不可能的。然而，知道很大一部分黑洞有这些普遍质量给科学家一个优势。

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施耐德说，“然后我们能采取一种统计方法将质量与红移解耦”。这种技术需要比我们目前有的更大的引力波事件样本，但原则上，它将提供一种从红移测量哈勃常数的方法，该方法独立于涉及标准烛光的方法如Ia型超新星。

更大的引力波事件样本可能很快就会到来。一项涉及激光干涉仪引力波天文台（LIGO）、意大利的姊妹站点处女座和日本的神冈引力波探测器（KAGRA）的新观测运行将持续20个月，最近已经开始，目的是来发现另外300个事件。我们将很快知道是否新结果会增强围绕普遍质量分布的峰值以及它们之间的差距。

研究结果发表在 The Astrophysical Journal Letters.