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研究人员发现了巨大黑洞的起源和最大质量

更新时间:2020-09-12 14:54点击:

  通过对一颗垂死恒星的模拟,一组理论物理研究人员发现了通过探测引力波发现的黑洞的进化起源和最大质量。

研究人员发现了巨大黑洞的起源和最大质量

  用LIGO(激光干涉仪重力波天文台)和VIRGO(处女座干涉重力波天线)对重力波的激动检测表明,在紧密的二元系统中存在合并的黑洞。

  已经测量了在合并之前观察到的黑洞的质量,结果发现其质量比先前预期的质量大得多,约为太阳质量(太阳质量)的10倍。在一个这样的事件GW170729中,合并之前观察到的黑洞质量实际上是大约50太阳质量。但是,尚不清楚哪些恒星可以形成如此大的黑洞,或者引力波探测器观测到的黑洞的最大大小是多少。

  为了回答这个问题,卡夫利宇宙物理与数学研究所(Kavli IPMU)的研究团队由项目研究员梁承志(目前在加州理工学院),高级科学家野本健一和来访的高级科学家谢尔盖·布林尼科夫(Sergei Blinnikov)(摩苏理论和实验物理研究所的教授)研究了超大质量恒星演化的最后阶段,特别是在紧密的双星系统中,有80至130个太阳质量恒星演化。

  在紧密的双星系统中,最初有80至130个太阳质量恒星失去了富氢的包层,变成了40至65个太阳质量的氦恒星。当最初的太阳质量恒星形成富氧核时,恒星会经历动态脉动,因为恒星内部的温度变得足够高,足以使光子转化为电子-正电子对。这种“成对的创造”使核心不稳定并加速收缩以致崩溃。

  在过度压缩的恒星中,氧气爆炸性燃烧。这会触发恒星的坍塌然后迅速膨胀。恒星外层的一部分被弹出,而内部则冷却下来并再次塌陷。重复进行脉动(收缩和膨胀),直到氧气耗尽。此过程称为脉动对不稳定性(PPI)。这颗恒星形成铁芯,最后坍塌成一个黑洞,这将引发超新星爆炸,称为PPI-超新星(PPISN)。

  通过计算几个这样的脉动和相关的质量喷射,直到恒星坍塌形成黑洞,研究小组发现,由脉动对不稳定性超新星形成的黑洞的最大质量为52太阳质量。

  最初质量超过130个太阳质量的恒星(形成的氦质量超过65个太阳质量的恒星)由于爆炸性的氧气燃烧而经历了对不稳定的超新星过程,这彻底破坏了恒星,并且没有黑洞残留。超过300个太阳质量的恒星崩溃,并可能形成比约150个太阳质量更大的黑洞。

  上述结果表明,黑洞质量在52至150个太阳质量之间存在“质量间隙”。结果表明,GW170729的质量为50的太阳质量黑洞很可能是脉动对不稳定超新星的残余。

  该结果还预测,由于脉动质量损失而形成大量的星际介质,因此与黑洞形成有关的超新星爆炸将促使喷射的物质与星际物质发生碰撞,成为超发光的超新星。未来的重力波信号将为测试其理论预测提供基础。


研究人员发现了巨大黑洞的起源和最大质量