引力波研究人員開發了一種新模型，可以幫助天文學家追蹤宇宙中黑洞系統的起源。黑洞的誕生有多種方式，比如在恆星坍塌後形成，也可能是超新星爆炸後形成，或者中子星合並形成等。這些巨大密集物體是用太陽質量(M⊙)來衡量，即太陽的質量。通常，恆星只會形成質量高達45M⊙的黑洞。然後這些系統配對並融合在一起，產生引力波。然而，恆星坍縮會導致不穩定，從而阻止更重黑洞的形成，因此需要一個新的模型來解釋質量大於50M⊙的雙黑洞系統。
這些物體被認為是由雙星黑洞形成，然後雙星黑洞與其他黑洞合並。科學家們認為，這些“下一代”黑洞（由它們的“父代”合並而成）可能是LIGO和Virgo觀測到的更重黑洞。伯明翰大學引力波天文學研究所的研究人員在《物理評論D》上發表了一項新研究表明，未來對幾代黑洞合並的探測，將能夠找出它們的誕生地。研究人員進行了新的計算，可以幫助天文學家更好地理解這些合並物——以及在哪裡找到它們。
恆星群（由引力結合在一起的恆星群）可能就像黑洞的‘托兒所’，提供了一個理想的環境來繁衍數代黑洞。但是為了知道哪種類型的星團最有可能產生這些物質，首先需要知道一些必要的物理條件。研究小組相信，通過計算一個星系團可能的“逃逸速度”，已經找到了這個謎題的部分答案，這個速度必須能夠容納一個質量在50M⊙以上的黑洞。逃逸速度是一個物體為了逃離引力而需要移動的速度。例如，一枚離開地球的火箭需要以11千米/秒的速度進入軌道。
在黑洞合並過程中，黑洞會產生反衝，就像子彈射出時槍會後坐力一樣，引力波發射時黑洞也會後坐力。只有當它們的父代黑洞沒有被“踢出”星團時，也就是說，只有當星團的逃逸速度足夠大時，下一代黑洞才能形成。研究小組計算出，通過觀察質量在50M⊙以上的黑洞，可以推斷出它們所在星團的逃逸速度大於50千米/秒。引力波觀測為我們了解黑洞形成和演化的天體物理環境提供了一個前所未有的機會，一個非常大的事件會指向一個密度大，逃逸速度快的環境。在哪裡可以找到這些類型的密集星團？
到目前為止，對LIGO和室女座的許多預測都集中在“球狀星團”上。球狀星團是由大約100萬顆恆星在星系外圍緊密結合而成的球狀星團，然而逃跑速度太慢了。這項新研究發現，球狀星團不太可能承載數代黑洞。天文學家們需要把目光投向更遠的地方：在靠近星系中心發現的核星團密度足夠大，可能提供了產生這些天體所需的環境。引力波天文學正在徹底改變我們對宇宙的理解，天文學家們都在等待LIGO和Virgo即將公布的結果，以檢驗這些和其他天體物理學的預測。
博科園｜研究/來自：伯明翰大學
參考期刊《 物理評論D》《arXiv》
Cite: arXiv:1906.05295
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