原標(biāo)題： 研究發(fā)現(xiàn)：黑洞合并同類相食 或揭示它黑暗的過(guò)去
現(xiàn)在我們可以探測(cè)到引力波，新一代的天文學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)移到了宇宙并使用可以被一只經(jīng)過(guò)兔子而被干擾的觀測(cè)臺(tái)。引力波探測(cè)器將使我們對(duì)我們?cè)谟钪嬷械牡匚挥幸粋�(gè)全新的認(rèn)識(shí)。
正如所有的新技術(shù)一樣，我們?nèi)匀惶幵谝粋�(gè)粗糙而不敏感的時(shí)代。這意味著我們只能搜索的最大的和最壞的事件：黑洞合并。到目前為止LIGO已檢測(cè)到三次合并，第三次合并是探測(cè)的極限。但這些黑洞比預(yù)期的要大，這引發(fā)了一個(gè)有趣的問(wèn)題：這是他們的第一次合并，還是通過(guò)以前的合并而發(fā)展起來(lái)的？
圖片：A. Bohn et al.
現(xiàn)在（arXiv版）的科學(xué)家們已經(jīng)確定如何找出黑洞是首次合并還是第二多次合并
走向黑暗的恒星
黑洞是超大質(zhì)量恒星終結(jié)點(diǎn)。原始恒星有大量的物質(zhì)，因其巨大的質(zhì)量故而強(qiáng)大的引力使所有物質(zhì)都向內(nèi)壓。來(lái)自于所有質(zhì)量向內(nèi)擠壓的高溫和壓力點(diǎn)燃了核聚變。聚變的產(chǎn)物之一是能量，它提供了足夠的力來(lái)平衡恒星引力，使得恒星在數(shù)十億年內(nèi)能穩(wěn)定持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。
但是當(dāng)逐漸氫形成氦，氦形成鋰和鈹，并一直持續(xù)到恒星的內(nèi)核被鐵占領(lǐng)時(shí)聚變停止了，此時(shí)二力平衡已經(jīng)被打破，引力以 的優(yōu)勢(shì)使得整個(gè)恒星都向核心坍塌壓縮、直到原子也被壓碎、整個(gè)質(zhì)量與體積關(guān)系被壓縮到史瓦西半徑內(nèi)、一個(gè)新生的黑洞便誕生了、恒星也結(jié)束了它“光明”的一生。
這顆年輕恒星被物質(zhì)盤(pán)環(huán)繞。圖片：HUBBLE
宇宙中多數(shù)奇怪有趣的天體（如中子星、白矮星…）都是來(lái)源于恒星的演化或者說(shuō)死法不一樣結(jié)果也就不一樣了，這是為什么呢？這主要取決于恒星的質(zhì)量，可以說(shuō)在宇宙中質(zhì)量決定了自身的實(shí)力！你可以長(zhǎng)得很小、但只要質(zhì)量足夠大、那么你就是強(qiáng)者。
但是恒星物質(zhì)轉(zhuǎn)化為非常奇怪的狀態(tài)并沒(méi)有就此結(jié)束。如果它們足夠接近，中子星和黑洞互相消耗（可能還有其他附近的物體，比如白矮星）。這可能會(huì)使中子星獲得足夠的質(zhì)量，從而逐漸進(jìn)入黑洞的有效引力范圍或使得黑洞成長(zhǎng)為更大質(zhì)量的天體。所以當(dāng)我們觀察兩個(gè)黑洞合并時(shí)，我們能判斷這是否是第一次合并。
分布的故事
解決這個(gè)問(wèn)題的方法是看質(zhì)量分布。每個(gè)黑洞都有最小質(zhì)量（低于這個(gè)質(zhì)量它們不能形成）。當(dāng)恒星達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的200倍或更多時(shí)，并不是所有的恒星最終
都形成黑洞。因此研究人員認(rèn)為最初的一代黑洞最多有50個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。從那里開(kāi)始這些黑洞相互接觸，產(chǎn)生越來(lái)越多的黑洞。進(jìn)一步合并所觸及的黑洞，其質(zhì)量比取決于每個(gè)黑洞以前合并了多少黑洞。
�。ū疚囊部紤]了黑洞的旋轉(zhuǎn)，但是我們對(duì)這于自轉(zhuǎn)測(cè)量目前還沒(méi)有很好的辦法）
為了弄清楚這是為什么？觀察小組研究了幾次合并后質(zhì)量分布的變化。第一代黑洞是大質(zhì)量由垂死的恒星創(chuàng)造的，這些合并產(chǎn)生第二代黑洞。在這之后有兩種可能性：第二代和第一代黑洞合并，或者兩代第二代黑洞合并。
但接下來(lái)的一切都?xì)w結(jié)為第一代黑洞的性質(zhì)�，F(xiàn)在因?yàn)槲覀儧](méi)有一個(gè)巨大的黑來(lái)獲取數(shù)據(jù)，研究人員選擇了一系列的質(zhì)量和自旋分布。利用這些分布研究人員隨機(jī)合并黑洞，并計(jì)算出由此產(chǎn)生的質(zhì)量、自旋和合并質(zhì)量比。這提供了第二代黑洞的分布�，F(xiàn)在我們有兩組黑洞，每個(gè)黑洞都有不同的質(zhì)量和自旋。
這兩個(gè)“種群”之間（兩個(gè)第二代黑洞，或第一代和第二代黑洞之間）的隨機(jī)合并提供了兩個(gè)種群，每個(gè)種群具有不同的質(zhì)量分布。
黑洞吞噬概念圖
考慮到所有這些研究人員還可以計(jì)算出過(guò)去這些合并發(fā)生了多遠(yuǎn)。從本質(zhì)上說(shuō)第二代黑洞的合并必須在它們的“祖先”融合后發(fā)生。這意味著發(fā)現(xiàn)這種完全扭曲的想法，我們現(xiàn)在觀察到的第二代合并比第一代合并更可能發(fā)生在我們身邊。
等待觀測(cè)
好了、總結(jié)一下：我們期望從質(zhì)量和自旋分布開(kāi)始。在合并過(guò)程中我們有三個(gè)期望的質(zhì)量分布比例，并且有自旋分布。而且為了簡(jiǎn)單一點(diǎn)，所有這些分布都應(yīng)該出現(xiàn)在過(guò)去不同的（但重疊的）時(shí)代。但問(wèn)題是我們能觀察到這一點(diǎn)嗎？
答案很可能是肯定的。據(jù)研究人員說(shuō)在大約20次黑洞合并之后，我們應(yīng)該能夠區(qū)分兩個(gè)第一代黑洞和兩個(gè)第二代黑洞之間的合并。要區(qū)分第一和第二合并之間的合并將需要大約100次的觀察結(jié)果來(lái)進(jìn)行分析。
這是目前的觀測(cè)靈敏度。假設(shè)計(jì)劃升級(jí)到LIGO和VIRGO順利，那么靈敏度上升的工作變得容易很多。此外升級(jí)后的硬件將對(duì)更遙遠(yuǎn)的過(guò)去發(fā)生的黑洞合并更為敏感，從而使科學(xué)家能夠?qū)Ω鼜V泛的分布范圍進(jìn)行抽樣（黑洞）。
你可能會(huì)問(wèn)我們能從中得到什么？
將為星系動(dòng)力學(xué)和黑洞的認(rèn)識(shí)提供了一個(gè)窗口。根據(jù)星系是如何組合在一起的，我們應(yīng)該觀察不同時(shí)代的合并率和不同的種群分布。這些觀測(cè)將以一種以前不可能的方式來(lái)測(cè)試天體物理模型。
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