大黑洞主导了新的引力波目录|中子星|太阳|引力|引力波|黑洞

引力波科学家公布了他们最新的事件目录，揭示了数量惊人的巨大黑洞。

LIGO和Virgo的合作最近发布了他们的第二份官方引力波探测目录，将碰撞总数从11次提高到50次。在这些事件中，几乎所有的都是成对的黑洞合并。

新的39次探测来自于2019年4月至10月合作第三次观测运行（O3）的前6个月。他们不包括由独立团队从之前的数据中挑出的其他候选人。其中26个已经被宣布为公共警报，被自动化系统捕捉到，并很快被研究人员证实。科学家们在更敏感的后续搜索中对数据进行梳理时发现了剩下的13个。

一些O3事件已经成为头条新闻，并在2020年自行宣布。其中包括大小不匹配的黑洞和可能嵌入气体中的碰撞。

（上图为：联合协作组织报告的2015年9月至2019年10月期间探测到的LIGO/Virgo黑洞（蓝色）和中子星（橙色）合并事件的总数。紫色表示LIGO之前已知的黑洞。合并用箭头表示，箭头连接两个原始物体，最后合并的物体质量更高。）

与那些单独的公告不同，目录使我们能够将探测作为一个队列来看待。这些物体的质量范围很广，从略高于1个太阳质量到大约90个太阳。最近的距离是5亿光年；最远的距离，相当于可观测宇宙边缘的一小部分，回望大约70亿年。在新的39次事件中，只有一次可能是两颗中子星相撞，但与壮观的GW170817事件不同，天文学家没有发现任何爆发光的痕迹——这种可能性是基于物体的质量。

新目录真正吸引人眼球的是有多少黑洞很大。超过半数的合并涉及至少一个黑洞，重30个太阳质量或更多。在LIGO于2015年首次合并之前，大多数天文学家认为他们不会发现这么大的黑洞——这些预测已经存在，但并没有被广泛传播。

但是现在，科学家们有七次大灾难，其中一个黑洞的重量至少有50个太阳，其中一个巨大的黑洞的质量达到了90个太阳质量。

这些大质量系统是新目录中最重要的发现之一。天文学家曾预测，在大约50到130个太阳质量之间会有一个黑洞沙漠（确切的数值取决于你问谁）。这片无人区的存在是因为当一颗大质量恒星到达生命的高级阶段时，它的核心会疯狂地熔化碳元素，从而导致核心变得不稳定并剧烈收缩。如果地核的质量超过约130个太阳质量，那么这种收缩将是不可阻挡的，它将变成一个黑洞。但是在较低的核心质量，聚变可以以足够大的爆炸性的方式进行，从而逆转内爆并撕裂恒星，而不会留下任何东西。

LIGO科学家玛雅·菲什巴赫（mayafishbach，西北大学）说，在缝隙中看到这么多黑洞绝对令人惊讶。引力波观测站比小黑洞更容易感知大黑洞的粉碎。但是，当研究人员考虑到这些仪器的局限性，并推断出如果他们能完美地探测到所有的东西，他们会发现大约3%的系统包含一个比45个太阳质量更重的黑洞，比他们第一个目录中的估计值高1%。

不清楚发生了什么事。这些合作确实看到了黑洞数量下降到40个太阳质量以上的迹象。Fishbach说：“有可能是有一个亚种群正在污染这个缺口，”第二代黑洞不是由垂死的恒星形成的，而是由随后的合并形成的。或者，可能是在更高的质量下，或者是逐渐的，因为恒星找到了各种方法来避免崩塌。

斯坦·伍斯利（加州大学圣克鲁斯分校）是研究第二种可能性的天文学家之一。他说，通过合理地改变恒星的融合率、恒星的自转以及它们在死前或从同伴那里抢夺的物质量，有可能将这个缺口的下边界推高到约65个太阳质量，他解释了除了一个引力波源以外的所有其他物质。

一个国际研究小组最近的一项实验室研究也表明，在恒星核心进行氦聚变的效率可能提高35%。如果降低恒星的质量，使其自身的质量变慢，从而使其自身的质量变慢。

但是没有人知道如何处理90太阳质量的黑洞。“就在禁区的中间，”伍斯利说。“如果你只把那一个拿出来，其余的，我想，就可以了。”

找出大黑洞起源的一个方法是它们的旋转。合并产生的黑洞通常以最大速率的70%左右旋转——事实上，O3目录中所有剩余的黑洞都有围绕这个值的最终旋转。相反，由一颗垂死恒星形成的黑洞旋转速度可能会慢得多，这一预测被O3目录中的一个黑洞GW190814所证实。

旋转的倾斜也很重要。尽管天文学家对例外情况议论纷纷，但从已经存在于双星中的恒星中诞生的孪生黑洞可能会像直立的陀螺一样围绕着彼此旋转。然而，后来相互接纳的黑洞更可能有随机的倾向。

但菲什巴赫说，在合并之前，仍然很难测量物体的单个旋转。相反，科学家必须把它们看作一个整体，并做出统计推断。从这一分析中，合作可以看出，一些合并前的黑洞肯定在旋转，其中大约三分之一的黑洞要么在轨道上侧翻，要么与环绕伙伴的方向相反旋转。

这表明，作为一个非常初步的图片，请注意，在LIGO和Virgo捕捉到的碰撞黑洞中，大约有三分之一是在一个密集的星团或超大质量黑洞周围蓬松的气盘中形成的，而不是从一开始就以双星的形式诞生在一起。

（上图为：模拟重黑洞合并（GW190521）。彩色轮廓线是两人灵感融合时发出的引力波。质量比另一个大得多的黑洞只有3%。）

新的目录和相关论文还包括许多其他有趣的发现，从对爱因斯坦引力理论的确认到证明黑洞合并率大约是70亿或80亿年前今天的两倍。（这是意料之中的，因为恒星形成在大约100亿年前的宇宙中达到顶峰。）

也有迹象表明低质量黑洞的存在要少得多。探测到的最小的黑洞双星涉及9和5个太阳质量的物体。费什巴赫说，尽管至少有一个比这个小的物体可能是黑洞，但它似乎确实缺少轻量。

“但这是一个混乱的画面，”她警告说。“我们不确定缺口在哪里，也不确定缺口是否为空。”