負責第一次引力波探測的黑洞來自古老的大質量太陽
今年2月，利戈天文臺的科學家宣佈首次探測到引力波，創造了歷史。時空結構中的這些漣漪來自兩個黑洞，它們在以每秒幾次的速度相互旋轉，然後合併成一個劇烈的高能爆炸。現在，研究人員已經計算出這些黑洞的可能起源。一項新的研究認為，它們可能來自於大約120億年前形成的兩個大質量太陽——也就是大爆炸後20億年。
研究人員透過執行一個稱為“合成宇宙”的複雜模擬，得出了這個起源故事，今天發表在《自然》雜誌上；這是一個計算機模型，模擬宇宙自大爆炸開始以來的演變過程。”“我們扮演上帝，”這項研究的主要作者、華沙大學天體物理學家克裡斯·貝爾欽斯基（chri**elczynski）說我們的電腦裡有整個宇宙的模型。我們從一開始，從大爆炸開始，就用恆星填充計算機，你讓它們前進，進化，產生黑洞，等等。”
Belczynski預測更多的探測器正朝著我們的方向前進
這個模擬甚至包括一個合成LIGO探測器，用來確定觀測站在一段時間內將探測到的物體型別。利用這個模型，貝爾欽斯基和他的團隊能夠回顧宇宙的起源，並計算出形成LIGO探測到的黑洞的恆星型別。
這個工具不僅對追蹤恆星的起源很有用，而且對預測也很有用。基於這一計算機模型，貝爾欽斯基在2010年首次估計LIGO將主要探測來自大黑洞合併的引力波。這是一個違背當時主流思想的預測。”大多數天文學界認為，中子星而不是黑洞的合併將首先被探測到，並主導LIGO探測，”Belczynski說。但到目前為止，利戈已經做出的三個可能的發現——兩個已經證實，還有一個可能是第三個——都符合貝爾欽斯基六年前的預測。
多虧了人造宇宙，貝爾欽斯基預測，更多的探測正朝著我們的方向前進。他的模型顯示，LIGO在今年秋天開始下一次觀測時，將接收到多達60次探測。根據該模型，當天文臺的靈敏度達到峰值時，每年可以探測到1000次黑洞合併。
根據貝爾欽斯基的計算，LIGO探測到的大多數黑洞也會有一定的大小。它們的總質量可能是太陽質量的20到80倍。這與LIGO目前發現的情況相符。第一次探測到的引力波被稱為GW150914，來自兩個黑洞，分別為36個太陽質量和29個太陽質量；加起來，就是太陽質量的65倍。
“這兩顆恆星都需要非常大的質量，大約是我們太陽的40到100倍。”
那些是相當大的黑洞。貝爾欽斯基說，通常情況下，我們銀河系中發現的黑洞大約有5到10個太陽質量。由於產生GW150914的黑洞特別大，它們一定來自大質量恆星。黑洞通常是恆星死亡並自行坍塌時形成的。恆星死的時候越大，產生的黑洞就越大。”這兩顆恆星都需要非常大的質量，大約是我們太陽質量的40到100倍，”貝爾欽斯基在談到GW150914背後的恆星時說。
這些恆星的金屬含量也可能很低，這意味著它們沒有很多元素比氦重。金屬含量高的恆星會產生大量的太陽風——一種來自恆星高層大氣的帶電粒子不斷流動的現象。隨著時間的推移，這股風會帶走恆星的質量。”如果有很多風，風會帶走很多質量，你會形成一個小黑洞，而不是一個大黑洞，”貝爾欽斯基說。由於這些黑洞在合併時非常大，它們可能沒有太多的太陽風隨著時間的推移將它們磨滅。
這就是為什麼貝爾欽斯基的模型表明這些恆星可能來自早期宇宙。就在大爆炸之後，金屬相當稀缺；只有氫和氦構成了第一代恆星。但是這些恆星在它們內部產生了較重的金屬，每當它們死亡和爆炸時，它們就會把這些金屬作為氣體擴散到整個宇宙。這種金屬氣體幫助創造了第二代恆星，而恆星本身又產生了更多的金屬，併在恆星死亡時將其擴散到整個宇宙。這個週期已經持續了數十億年，直到現在，所以許多最近的恆星都有大量的金屬元素，並且在演化過程中損失了大量的質量。
這些恆星可能來自早期宇宙
當然，有一個小警告。目前宇宙中確實存在著由低金屬恆星組成的星系斑塊。”宇宙是不統一的；進化是不統一的，”貝爾欽斯基說。因此，導致GW150914的恆星有可能是最近形成的，不過可能性較小。”我們的預測是，他們形成的方式回到過去，他們是螺旋式的彼此和他們擊中對方就在最近，”他說。
向前看，Belczynski的模型顯示，LIGO將發現更多類似這樣的黑洞合併。而天文臺探測到的合併越多，它就越能驗證和完善合成宇宙模型對恆星演化的預測。”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究科學家克裡斯托弗·弗萊爾（Christopher Fryer）沒有參與這項研究這些探測已經在告訴我們大質量恆星演化的本質。”
科學家發現了引力波
- 發表於 2021-05-05 12:19
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