开裂！一些双星黑洞可能在蛋形轨道上相互滚动

虾仔123

具有蛋形轨道的二元黑洞的插图。（图片来源：Nihar Gupte）

据美国太空网（Robert Lea）：黑洞周今天（5月10日）结束，没有比一些“鸡蛋陷阱”黑洞科学更好的方式来纪念这一时刻了。

利用位于美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）以及分别位于意大利和日本的Virgo和KAGRA探测器的引力波测量，科学家们发现一些双星黑洞的轨道可能是蛋形的，并表现出奇怪的摆动。

这项研究不仅仅是一种好奇（以及破解一些与坏鸡蛋有关的双关语的“鸡蛋陷阱”）。在双星黑洞系统中发现这些椭圆形轨道可以帮助研究人员确定这些系统是如何形成的。

该研究的主要作者、德国马克斯·普朗克引力物理研究所和马里兰大学的尼哈尔·古普特告诉Space.com：“我们发现，大多数双星黑洞预计都在所谓的‘准圆形’轨道上。‘准’只是意味着，由于引力波的发射，黑洞的分离度随着时间的推移而减少。”。

Gupte补充道：“我们的研究表明，观测到的一些双星黑洞可能处于‘偏心’轨道。”。“这意味着黑洞的轨道呈椭圆形或‘蛋’形。”

研究人员说，研究小组还发现，当黑洞相互绕轨道运行时，蛋形椭圆形轨道的尖端可以旋转。

“我们还发现，如果你使用非偏心模型分析这些事件，你会高估了黑洞的质量，”Gupte补充道。

我们能从蛋形黑洞轨道中学到什么

Gupte和他的同事检查了LIGO Virgo KAGRA合作通过引力波探测到的57对双星黑洞。引力波是阿尔伯特·爱因斯坦在1915年著名的广义相对论中首次预测的时空波纹。

广义相对论认为，有质量的物体在空间和时间的结构中产生了曲率，统一为一个称为“时空”的四维实体。引力源于这种曲率，随着物体质量的增加，这种曲率变得更加极端。这就是为什么恒星比行星有更大的引力影响，而星系比恒星有更多的引力影响。

爱因斯坦还在这一革命性的引力理论中预测，当物体加速时，它们会发出微小的涟漪，通过时空辐射出去——引力波。然而，在到达中子星和黑洞等超密度物体的区域之前，这些波纹是微不足道的。

当双星中子星或黑洞相互旋转时，它们会不断发出引力波，以角动量的形式将能量从系统中带走。角动量的损失导致这些天体的轨道收紧，将它们拉到一起，直到它们的引力影响接管为止。最终，它们碰撞合并，发出最后一声尖锐的引力波。

爱因斯坦认为，即使是这些引力波也太微弱，无法在地球上探测到。幸运的是，2015年9月，LIGO探测到GW150914，这是一个来自10亿光年外黑洞双星合并的引力波信号，证明了这位伟大的科学家错了。



一幅双星黑洞在时空中像钟一样发出引力波的示意图。（图片来源：ESA–C.Carreau）

正如这项新研究所表明的那样，随着引力波的探测不断深入，像古普塔这样的科学家正在学习如何利用引力波来揭示产生引力波的物体的细节。

古普塔解释说，利用引力波来了解双星黑洞的轨道，类似于古生物学家研究骨骼来重建恐龙的生活方式。因此，物理学家可以研究合并二元黑洞的性质，以了解二元黑洞最初是如何合并在一起的。

这可以通过两种不同的方式发生。当一个黑洞双星遇到另一个黑洞，甚至另一个星系并与之相互作用时，就会发生动力学相互作用。

另一方面，双星可以更简单地从已经相互环绕并成为黑洞的两颗恒星中分离出来，或者从一个离另一个太近的黑洞中分离出来并在碰撞合并之前形成双星。



一张图表显示了黑洞双星产生的两种可能的形成机制，可以通过检查这些排列的离心率来进行选择（图片来源：Nihar Gupte）

古普塔说：“关键的想法是，如果我们观察到一个有离心率的双星，它可能来自于动力学相互作用。”。“这些混乱的相互作用可以分裂双星，并将其组成的黑洞从宿主星系和星系团中射出。但有时，它们也会缩小两个黑洞之间的距离，导致离心率，并导致它们在短时间内合并。”

除了利用轨道离心率来讲述黑洞双星的故事外，这位科学家和他的团队还对考虑轨道的椭圆性质对这些系统的引力波发射的影响感兴趣。

古普塔解释道：“当你有离心率时，这意味着在轨道上的某些点上，黑洞彼此更靠近。”。“当黑洞离彼此更近时，它们的加速度更大，这意味着它们会发射更多的引力波。另一方面，如果它们离得很远，它们的加速会更小，这意味著它们发射的引力波更少。

“所以你最终会在波形（引力波的总模式）的振幅中看到一些小光点，这些光点是由黑洞彼此越来越近而产生的！”



显示常见信封事件如何进行的图表。M1是一颗变成红矮星的恒星，膨胀到黑洞（M2）周围有气体（红色）。（图片来源：杜兰德·德苏扎）

如果不使用引力波，双星黑洞的性质和历史将非常难以确定。理解双星黑洞起源的另一种方法是用标准的基于光的天文学寻找所谓的“共同包络”事件。

这些事件以一颗恒星和一个黑洞相互绕轨道运行开始，这颗恒星成长为红巨星。膨胀膨胀恒星的外层在双星的两个居住者周围形成了一个共同的外壳，在黑洞和恒星之间产生摩擦。这缩小了双星的轨道，最终，在红巨星变成黑洞后，这导致了双星黑洞的合并。

古普塔说：“问题是，电磁观测很难观测到这一关键时期。这是因为大质量恒星罕见且寿命短，因此致密天体合并的关键进化阶段只占这些系统的一小部分。”。“另一方面，通过研究引力波，我们可以了解双星合并的最后时刻。这可以让我们追溯合并的历史，并假设是什么形成了合并。”

他补充说，引力波在这方面特别有用，因为它们是一个“非常干净的探测器”或遥远的事件。这是指这些时空波纹可以传播很远的距离，而不会受到双星和地球之间任何东西的干扰。

古普特说：“虽然我们并不声称这些是对偏心双星黑洞的最终探测，但这些结果指向了现有群体的偏心率。”。“这是当前基于地球的引力波探测器观测运行以及未来地面和天基引力波探测器的重要考虑因素。

“目前，我们没有足够的数据来最终确定双星黑洞的起源。然而，如果我们在未来观察到更多偏心的双星黑洞，我们可以开始限制形成这些系统的机制。”

该团队的论文尚未在同行评审期刊上发表。您可以在arXiv在线存储库中阅读它的预印本。