引力波显示黑洞在碰撞前更喜欢特定的质量

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艺术家对物质从一颗恒星剥离到另一颗恒星的印象，去除了它们的氢外壳(图片来源:ESO/M. Kornmesser/S. E. de Mink)

据美国太空网（基思·库珀）：根据对两个黑洞碰撞和合并时释放的引力波“啁啾声”频率的一项新研究，黑洞倾向于形成大约两个“通用”质量，相当于我们太阳质量的9倍和16倍。这些发现可能最终为独立测量宇宙膨胀铺平道路。

自2015年以来，在专门为寻找时空中这些信息丰富的波纹而建造的站点上，探测器已经识别出90起引力波事件。这包括一些实验室，如美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)，它的姐妹站，意大利的处女座和日本的神冈引力波探测器(KAGRA)。每次合并都会产生所谓的啁啾声，这是一种引力波爆炸，随着两个黑洞在碰撞和合并前彼此越来越靠近，频率迅速增加。这种啁啾声的频率和振幅与已经合并的黑洞质量有关；它们的组合质量有时被称为“啁啾质量”

“当两个黑洞合并时，它们产生的引力波在地球上可以被‘听到’，”德国海德堡理论研究所的天体物理学家、该研究的作者伊娃·拉普拉斯告诉Space.com。“通过收听这些啁啾声并对其进行分析，就有可能测量出遥远的合并黑洞的组合质量。”

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恒星质量的黑洞是在大质量恒星死亡时形成的。虽然在某些情况下，大质量恒星会爆炸成为超新星，并留下致密的中子星，但在其他情况下，不会发生爆炸。相反，恒星的核心在重力作用下严重坍塌，形成黑洞，最终导致恒星的其余部分在其周围塌陷。

这些黑洞的质量决定了它们合并时发出的引力波啁啾声的频率，也与形成它们的恒星的质量有关。因此，人们会认为宇宙中存在各种各样的恒星质量黑洞，反映了它们的前身恒星的各种质量，事实上大多数情况都是如此。然而，天文学家很难找到更多与引力波事件有关的黑洞，这些黑洞的质量约为8-9个太阳质量和14-16个太阳质量，但出于某种原因，几乎没有质量介于两者之间的黑洞。

现在，拉普拉斯与天体物理学家Fabian Schneider和同样来自德国海德堡理论研究所的Philip Podsiadlowski一起进行的新研究，解决了这种明显偏好合并黑洞以收敛于某些质量而不是其他质量的问题。

施耐德告诉Space.com:“我们的研究表明，在9到16个太阳质量之间，黑洞质量总是有差距的。”

大质量恒星内部发生了什么

质量差的存在是由一颗大质量恒星在接近其寿命终点时内部发生的事情决定的。

年轻的恒星通过其固有的核聚变过程在其核心“燃烧”氢；在大质量恒星中，这一过程的主要版本被称为碳-氮-氧(CNO)循环。这指的是涉及氢和那些元素的一长串反应，最终产生氦并释放大量能量为恒星提供动力。然而，一旦恒星的核心耗尽氢，其能量生产就会减弱。没有足够的能量支撑恒星，地核在重力作用下开始收缩。这使得地核的温度上升了数百万摄氏度，直到它的温度和密度足以开始燃烧氦并暂时停止收缩。

在这个阶段，恒星就像一个洋葱，有各种层次。它的核心是燃烧的氦。核心周围是一层未燃烧的氦，通常情况下，它周围是一层壳，仍在燃烧一些剩余的氢，产生更多的氦，沉入恒星核心。这些额外的氦进一步增加了核心的质量和温度，加速了控制恒星演化的核反应。最终，这将导致一颗超新星，通常要么是一颗中子星，要么是一个孤独的黑洞，这取决于恒星核心的致密性(对于具有130-250个太阳质量和相当原始的化学成分的恒星，它们有时会爆炸，并在所谓的双不稳定性超新星中彻底毁灭自己，什么也不会留下)。



二元黑洞发射的引力波螺旋走向合并的插图(图片来源:LIGO/T .派尔)

相比之下，黑洞合并是大规模双星系统的产物。在它们仍然作为恒星存在的时候，这两个亲密的伙伴能够互相窃取物质，剥去彼此燃烧氢的外壳。没有这层壳，恒星的核心就不会获得额外的氦，从而改变恒星的进化轨迹。失去氢壳的恒星核心内部的条件是热中微子——自发形成的微小幽灵般的粒子——逃离恒星，带走了部分核心热能。这降低了核心的温度，减缓了核反应。结果是能量生产的减少，这使得地核在重力作用下进一步收缩。这导致了一个非常致密的核心，当恒星耗尽所有核燃料并死亡时，它会坍缩形成一个黑洞。

在双星系统中，这可能导致两个黑洞最终随着引力波的啁啾声合并。

施耐德说:“由于中微子丢失、核燃烧和核心收缩之间的复杂相互作用，我们发现特定核心质量的恒星更容易坍缩成黑洞，而不是作为超新星爆炸并留下中子星。”

根据Schneider，Laplace和Podsiadlowski的计算，这种相互作用导致了常见的黑洞质量。在他们的模型中，黑洞质量倾向于收敛于两个值，分别是我们太阳质量的9倍和16倍。这些值非常接近引力波数据中观察到的峰值，大约是8到14个太阳质量，所以它们不完全匹配，但仍在观察不确定性范围内。

测量宇宙的膨胀

某些质量的黑洞的存在不仅告诉我们关于大质量恒星的物理学，而且也给天文学家提供了另一种测量宇宙膨胀率的方法，即哈勃常数。这在最近几年受到了关注，因为不同的方法给出了相互矛盾的哈勃常数值。

引力波啁啾的频率主要取决于所涉及的黑洞的总质量，但其中一部分也与它们的红移有关，红移告诉我们它们的距离，因为它们越远，宇宙的膨胀就越使它们向更长的波长移动。

到目前为止，还不可能将黑洞质量从啁啾的红移中分离出来。然而，知道大部分黑洞具有这些普遍质量给了科学家一个优势。

施耐德说:“然后，我们可以采用统计方法将质量从红移中分离出来。”这项技术将需要比我们目前拥有的更多的引力波事件样本，但原则上，它将提供一种从红移中测量哈勃常数的方法，这种方法独立于涉及标准烛光的方法，如Ia型超新星。

一个更大的引力波事件样本可能即将到来。一个新的涉及LIGO、室女座和KAGRA的为期20个月的观测活动最近已经开始，目的是发现另外300个事件。我们很快就会知道，新的结果是否增强了宇宙质量分布的峰值，以及它们之间的差距。

这些发现发表在天体物理学杂志《快报》上。