黑洞“台球”?超大质量黑洞的周围,较小黑洞以奇怪的方式碰撞!

原标题:黑洞“台球”?超大质量黑洞的周围,较小黑洞以奇怪的方式碰撞!

宇宙是一个无情的、混乱的地方,有时候,逃不掉。

科学家们发现了一个超大质量黑洞,它在围绕它旋转的巨大圆盘中捕获了另外三个黑洞,使得时间和空间开始扭曲和弯曲。根据最新发表在《自然杂志》上的一项研究,由于三个黑洞如此接近,时空的局部环境已经成为一个混乱的地方——引力波在这里相互碰撞,拉伸和压碎宇宙本身的结构。毋庸置疑,没有什么生物能在这里存活很长时间。

有史以来最大的黑洞合并事件!

这项新研究探索了 2019 年 5 月目睹的奇异引力波事件——编号“GW190521”,涉及产生一个质量约为 142 个太阳的黑洞(其中一个是太阳质量的 66 倍,另一个是 85 倍)。这是第一个使用引力波观测到的中等质量黑洞(IMBH),其质量介于恒星质量黑洞和支配大多数大型星系中心的超大质量黑洞之间。

物理学家计算出,这次合并发生在距离地球 170 亿光年的地方——这使得这是迄今为止 LIGO-Virgo 观测到的最遥远的合并之一。在如此大的距离上探测到引力波是可能的,因为它们从合并中带走了大量的能量——相当于八个太阳的质能。

我们目前发现的黑洞有两种:一种是恒星质量黑洞,大约是太阳质量的 5 到 60 倍,在大质量恒星爆炸时形成。另一种是超大质量黑洞,从 10 万到几十亿倍太阳质量。我们不确定它们是如何形成的,但每个大星系的中心都有一个,包括我们的银河系。

中等质量黑洞将位于这两种黑洞类型之间,大约是太阳质量的 100 到 1000 倍。虽然理论上存在但从未发现。不过科学家找到了很多候选者,包括在遥远的星系中,甚至可能在球状星团中,以及成千上万或数百万颗恒星的巨大集合中。那里的想法是通过合并较小的黑洞,逐步创建中等质量黑洞。而且球状星团的环境比较拥挤,因此合并黑洞可能相对常见,所以“GW 190521”可能是中等质量黑洞存在的最好证据。

言归正传,GW 190521引起了很多科学家的兴趣。天体物理学家认为,85 个太阳质量比我们预期从单个超新星中获得的任何黑洞都要大。当一颗非常大的恒星爆炸时,核心坍缩形成一个黑洞。大约 32 到 65 倍太阳质量的核心是不稳定的,在恒星中产生巨大的脉动,然后爆炸,留下一个不到太阳质量 64 倍的黑洞。而从 65 到135 倍太阳质量的恒星经历所谓的对产生不稳定性,其中核心中的能量如此之高,以至于伽马射线自发分裂成电子和正电子。这剥夺了它维持自身所需的核心能量,结果可能是……灾难性的。这颗恒星可能会发生宇宙爆发,也可能会爆炸,根本没有留下黑洞。

所以一个有 85 个太阳质量的黑洞很奇怪,唯一方法应该是两个质量较低的黑洞合并形成它。

超大质量黑洞扭曲3个黑洞的合并!

虽然这项研究中的事件留下了一个中等大小的黑洞——科学家们既无法清楚地看到它,也无法解释它。但最神秘的是,当两个黑洞相互靠近时,它的圆形路径奇怪地被打乱了。

天文学家推测,与观测到的碰撞有关的一个黑洞以前曾在其中一个存在过(如上文所说)。如果是这样的话,新形成的黑洞将是我们太阳质量的 142 倍。但是对于连续发生两次碰撞,研究 GW190521 的科学家们建议,观察到的事件发生在一个活跃的星系核附近,其中包含一个特别动态的超大质量黑洞。这是一个黑洞可能非常丰富的空间区域,其中有足够质量的老恒星进入临界状态并形成自己的奇点是很常见的。

然而,最近的研究发现了一种新的可能性:两个黑洞在碰撞时并没有围绕彼此的引力旋转。相反,它们的轨道是椭圆形的,类似于巨大的椭圆形,而不是圆形。这是以前没有人见过的,因为人们认为几乎没有什么可以干扰两个即将撞击的黑洞的巨大引力。

丹麦天体物理学家约翰·萨姆辛(Johan Samsing)团队对黑洞碰撞进行建模——一旦他们在附近确定了另一个超大质量黑洞,一切都改变了。当你将一个超大质量黑洞插入这个系统时,它会产生一个围绕它旋转的巨大物质盘,就像一个更大的太阳系模型。在这种情况下,模型中异常合并的可能性猛增了 100 倍。以这样的速度,可能有一半的活动星系核盘中的合并将是偏心的,而不是圆形的,这使得 GW190521 的异常观察变得不那么令人惊讶。

共同作者、牛津大学天体物理学家本斯·科西斯(Bence Kocsis)说:“在这些环境中,黑洞的典型速度和密度非常高,以至于较小的黑洞会像台球游戏一样四处弹跳,而宽圆形的双星不可能存在。”

总而言之,如果它是在一个围绕超大质量黑洞的扁平气盘中产生的,那么这个源的其他壮观特性现在不再那么奇怪了。事实上,三体间的相互作用是物理学中最古老的问题之一,即使无数物理学巨擎前赴后继地研究,仍然谜团重重。

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