引力波研究人员开发了一种新模型，可以帮助天文学家追踪宇宙中黑洞系统的起源。黑洞的诞生有多种方式，比如在恒星坍塌后形成，也可能是超新星爆炸后形成，或者中子星合并形成等。这些巨大密集物体是用太阳质量(M⊙)来衡量，即太阳的质量。通常，恒星只会形成质量高达45M⊙的黑洞。然后这些系统配对并融合在一起，产生引力波。然而，恒星坍缩会导致不稳定，从而阻止更重黑洞的形成，因此需要一个新的模型来解释质量大于50M⊙的双黑洞系统。
这些物体被认为是由双星黑洞形成，然后双星黑洞与其他黑洞合并。科学家们认为，这些“下一代”黑洞（由它们的“父代”合并而成）可能是LIGO和Virgo观测到的更重黑洞。伯明翰大学引力波天文学研究所的研究人员在《物理评论D》上发表了一项新研究表明，未来对几代黑洞合并的探测，将能够找出它们的诞生地。研究人员进行了新的计算，可以帮助天文学家更好地理解这些合并物——以及在哪里找到它们。
恒星群（由引力结合在一起的恒星群）可能就像黑洞的‘托儿所’，提供了一个理想的环境来繁衍数代黑洞。但是为了知道哪种类型的星团最有可能产生这些物质，首先需要知道一些必要的物理条件。研究小组相信，通过计算一个星系团可能的“逃逸速度”，已经找到了这个谜题的部分答案，这个速度必须能够容纳一个质量在50M⊙以上的黑洞。逃逸速度是一个物体为了逃离引力而需要移动的速度。例如，一枚离开地球的火箭需要以11千米/秒的速度进入轨道。
在黑洞合并过程中，黑洞会产生反冲，就像子弹射出时枪会后坐力一样，引力波发射时黑洞也会后坐力。只有当它们的父代黑洞没有被“踢出”星团时，也就是说，只有当星团的逃逸速度足够大时，下一代黑洞才能形成。研究小组计算出，通过观察质量在50M⊙以上的黑洞，可以推断出它们所在星团的逃逸速度大于50千米/秒。引力波观测为我们了解黑洞形成和演化的天体物理环境提供了一个前所未有的机会，一个非常大的事件会指向一个密度大，逃逸速度快的环境。在哪里可以找到这些类型的密集星团？
到目前为止，对LIGO和室女座的许多预测都集中在“球状星团”上。球状星团是由大约100万颗恒星在星系外围紧密结合而成的球状星团，然而逃跑速度太慢了。这项新研究发现，球状星团不太可能承载数代黑洞。天文学家们需要把目光投向更远的地方：在靠近星系中心发现的核星团密度足够大，可能提供了产生这些天体所需的环境。引力波天文学正在彻底改变我们对宇宙的理解，天文学家们都在等待LIGO和Virgo即将公布的结果，以检验这些和其他天体物理学的预测。
博科园｜研究/来自：伯明翰大学
参考期刊《物理评论D》《arXiv》
Cite: arXiv:1906.05295
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