揭示了像我們這樣的星系中合并黑洞的起源 _星系

在合并前，一個31.5太陽質量的黑洞和一個8.38太陽質量的黑洞伴體在它的(計算機生成的)恒星托兒所前被觀察到。鳴謝:Aaron m . ge ller/Northwestern CIERA & NUIT-RCS；ESO / S .布魯尼耶
據日內瓦大學：黑洞是宇宙中最迷人的實體之一，擁有強大的引力，甚至連光都無法逃脫。2015年對兩個黑洞合并引起的引力波的突破性探測，打開了一個新的宇宙窗口。
從那時起，數十次這樣的觀測激發了天體物理學家對它們的天體物理起源的探索。由于POSYDON代碼最近在模擬雙星群體方面取得了重大進展，一組科學家，包括來自日內瓦大學(UNIGE)、西北大學和佛羅里達大學(UF)的一些科學家，預測了在類似銀河系的星系中存在合并的大質量、30個太陽質量的黑洞雙星，挑戰了以前的理論。這些結果發表在《自然天文學》上。
恒星質量黑洞是由恒星坍縮產生的天體，其質量是我們太陽的幾倍到幾百倍。它們的引力場如此之強，以至于無論是物質還是輻射都無法避開它們，這使得探測它們變得異常困難。因此，當2015年激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)探測到兩個黑洞合并產生的時空微小波紋時，這被譽為一個分水嶺時刻。根據天體物理學家的說法，信號來源處的兩個合并黑洞的質量約為太陽的30倍，位于15億光年之外。
橋接理論和觀察
是什么機制產生了這些黑洞？它們是兩顆恒星演化的產物嗎？這兩顆恒星與我們的太陽相似，但質量要大得多，是在雙星系統中演化的嗎？或者它們是由人口稠密的星團中的黑洞偶然相遇而產生的？或者可能涉及到一種更奇特的機制？所有這些問題今天仍在激烈辯論。
由日內瓦大學(UNIGE)、西北大學和佛羅里達大學(UF)等機構的科學家組成的POSYDON合作小組在模擬雙星群體方面取得了重大進展。這項工作有助于提供更準確的答案，并使理論預測與觀察數據相一致。
“由于不可能直接觀察到合并的二元黑洞的形成，因此有必要依靠模擬來再現它們的觀察特性。我們通過模擬雙星系統從誕生到二元黑洞系統的形成來做到這一點，”UNIGE科學學院天文系的博士后研究員Simone Bavera解釋道，他也是這項研究的主要作者。
挑戰模擬的極限
解釋合并的二元黑洞的起源，如2015年觀察到的那些黑洞，需要將理論模型預測與實際觀察進行比較。用來模擬這些系統的技術被稱為“二元群體合成”
“這項技術模擬了數千萬個雙星系統的演化，以便估計由此產生的引力波源群體的統計特性。然而，為了在合理的時間框架內實現這一目標，研究人員迄今為止一直依賴于使用近似方法模擬恒星演化及其雙星相互作用的模型。因此，單一和二元恒星物理學的過度簡化導致了不太準確的預測， ”UNIGE科學學院天文系助理教授Anastasios Fragkos解釋道。
POSYDON克服了這些限制。作為開源軟件，它利用預先計算的大型詳細的單星和雙星模擬庫來預測孤立雙星系統的演化。這些詳細的模擬中的每一個在超級計算機上運行可能需要多達100個CPU小時，使得這種模擬技術不能直接應用于二進制群體合成。
“然而，通過預先計算一個涵蓋初始條件整個參數空間的模擬庫，POSYDON可以利用這個廣泛的數據集和機器學習方法來預測二進制系統在不到一秒鐘內的完整演化。佛羅里達大學物理系助理教授杰弗里·安德魯斯解釋說:“這一速度與上一代快速群體合成代碼相當，但準確性有所提高。” 。
引入新模式
“在POSYDON之前的模型預測，在類似于銀河系的星系中，合并的二元黑洞的形成率可以忽略不計，他們特別沒有預料到質量為我們太陽30倍的合并黑洞的存在。POSYDON已經證明了這樣的大質量黑洞可能存在于類似銀河系的星系中，”Vicky Kalogera解釋道，他是西北大學物理和天文系的Daniel I. Linzer杰出的物理和天文大學教授，天體物理學跨學科探索和研究中心(CIERA)的主任，也是這項研究的共同作者。
以前的模型高估了某些方面，如大質量恒星的膨脹，這影響了它們的質量損失和雙星的相互作用。這些元素是決定合并黑洞性質的關鍵因素。由于完全自洽的詳細恒星結構和雙星相互作用模擬， POSYDON實現了對合并雙星黑洞屬性(如質量和自旋)的更準確預測。
這項研究首次利用新發布的開源POSYDON軟件來研究合并的二元黑洞。它為像我們這樣的星系中合并黑洞的形成機制提供了新的見解。研究小組目前正在開發新版本的POSYDON，它將包括一個更大的詳細恒星和雙星模擬庫，能夠模擬更廣泛的星系類型中的雙星。