引力波GW190521的神秘起源：星体碰撞为巨大的黑洞提供能量

天体物理学家Michela Mapelli在2022年APS四月会议的一次会议上描述了新的模拟和它的预测。混合学术会议在纽约市和网上举行，除了Mapelli之外，DEMOBLACK项目人员还包括天体物理学家Alessandro Ballone和Guglielmo Costa。

Mapelli的模型为引力波天文学领域的一个紧迫问题提出了答案：两个遥远的黑洞是如何结合起来产生GW190521的？这是高级LIGO和Virgo在2019年探测到的一个强大引力波？GW190521的信号具有黑洞合并的特征形式。在这种情况下，它是在两个质量为85和66太阳质量的原生黑洞之间。它们的碰撞产生了一个质量超过太阳140倍的黑洞残骸。引力波是由加速的质量引起的时空曲率的扰动或涟漪，以波的形式从源头向外传播。

但是，这次合并是一个令人挠头的问题。它比恒星质量的黑洞要大，而恒星质量的黑洞是由恒星核心坍缩形成的，比超大质量的黑洞要小。它的质量使它处于一个"质量缺口"--物理学家们不确定黑洞是否能够形成的范围。

在LIGO-Virgo观测结果公布前一年，Mapelli和她的合作者首次预测，恒星碰撞可能导致黑洞在质量间隙中形成。然而，在他们了解更多关于GW190521的信息之前并没有进行流体力学模拟。因此研究就在这个地方开始展开。

根据DEMOBLACK模拟，当大的恒星，比如那些在恒星托儿所中密密麻麻的恒星结合在一起时，可能会出现这样一个庞然大物。以前的模拟已经模拟了低质量和中等质量恒星之间的碰撞，但是Mapelli的工作第一次描述了巨无霸砸在一起之后发生的情况。"她说："没有人对如此巨大的恒星的碰撞进行过模拟。

在APS会议上，Mapelli描述了可能作为年轻星团中大质量双星黑洞形成基础的动力学过程。模拟开始于两颗恒星，其中一颗处于主序阶段，也就是物理上未进化的恒星，质量大约是太阳的40倍，它大部分是新鲜的氢气。另一颗恒星比较老，大约有60个太阳质量，并且有一个紧凑的氦核心。这意味着半径非常大，质量很大，核心和外部的密度对比很大。在某些假设下，这些恒星可能坍缩成一个超过50个太阳质量的黑洞。而这些黑洞又可能形成双星并最终合并。这些类型的恒星交换和碰撞可以建立起质量超过40个太阳的双体黑洞。反复的碰撞和合并可以产生质量高得多的黑洞，大约是太阳质量的100到10000倍。

自从2020年《物理评论快报》报道了对GW190521的观测以来，理论家们一直在寻求对其背后的动态过程做出严格的解释。一个相互竞争的观点认为，双星包括原始黑洞，这意味着它们不是来自于恒星核心的坍塌，而是来自于早期宇宙的遗留。另一个观点得到了观察的支持，即合并可能产生了一个电磁耀斑，表明碰撞发生在一个超大质量黑洞周围的密集气体盘内。

Mapelli说，她的工作并没有排除这些其他的解释。"我们不确定这种碰撞是对190521这样的事件的唯一可能的解释，"她说。"这个模拟并没有拒绝其他的可能，但我们最需要考虑其中的三个"。