揭示像我们这样的星系中黑洞合并的起源

黑洞是宇宙中最迷人的实体之一， 拥有巨大的引力，甚至连光也无法逃脱。2015 年，由两个黑洞合并引起的引力波的突破性探测，为了解宇宙打开了一扇新的窗口。从那时起，数十次此类观测激发了天体物理学家了解其天体物理学起源的探索。感谢 POSYDON 代码最近在模拟双星种群方面取得了重大进展，包括来自日内瓦大学 (UNIGE)、西北大学和佛罗里达大学 (UF) 的一些科学家在内的一组科学家预测了合并质量为 30 个太阳质量的黑洞双星的存在在类似银河系的星系中，挑战了以前的理论。这些结果发表在 《自然天文学》上。

恒星质量黑洞是由恒星坍缩而产生的天体，其质量是太阳的几倍到数百倍。它们的引力场非常强烈，物质和辐射都无法逃避它们，这使得它们的探测变得极其困难。因此，当2015年激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到两个黑洞合并产生的微小时空涟漪时，被誉为一个分水岭时刻。据天体物理学家称，信号源头处的两个合并黑洞质量约为太阳的30倍，距离15亿光年。

连接理论和观察

什么机制产生这些黑洞?它们是否是两颗恒星演化的产物，类似于我们的太阳，但质量明显更大，在双星系统中演化?或者它们是由人口稠密的星团中的黑洞偶然相遇而产生的?或者可能涉及更奇特的机制?所有这些问题至今仍在激烈争论。

POSYDON 合作团队由来自日内瓦大学 (UNIGE)、西北大学和佛罗里达大学 (UF) 等机构的科学家组成，在模拟双星群方面取得了重大进展。这项工作有助于提供更准确的答案，并使理论预测与观测数据相一致。“由于不可能直接观察合并双黑洞的形成，因此有必要依靠模拟来再现其观测特性。我们通过模拟双星系统从诞生到双黑洞形成的整个过程来做到这一点系统，” UNIGE 理学院天文学系的博士后研究员、这项研究的主要作者 Simone Bavera 解释道。

突破模拟的极限

解释合并双黑洞(例如 2015 年观测到的双黑洞)的起源需要将理论模型预测与实际观测结果进行比较。用于对这些系统进行建模的技术称为“二元群体合成”。“这项技术模拟了数千万个双星系统的演化，以估计由此产生的引力波源群的统计特性。然而，为了在合理的时间范围内实现这一目标，研究人员到目前为止仍然依赖于使用以下模型： “模拟恒星演化及其双星相互作用的近似方法。因此，单星和双星物理学的过度简化导致预测不太准确，”Anastasios Fragkos 解释道，

POSYDON 克服了这些限制。它被设计为开源软件，利用预先计算的大型详细单星和双星模拟库来预测孤立双星系统的演化。每个详细的模拟可能需要在超级计算机上运行多达 100 个 CPU 小时，因此该模拟技术不能直接适用于二进制总体合成。“然而，通过预先计算覆盖初始条件整个参数空间的模拟库，POSYDON 可以利用这个广泛的数据集以及机器学习方法，在不到一秒的时间内预测二元系统的完整演化。这个速度与上一代快速群体合成代码的基础，但准确性更高，”Jeffrey Andrews 解释道，

推出新模式

“POSYDON 之前的模型预测，在类似于银河系的星系中，合并双黑洞的形成率可以忽略不计，而且他们特别没有预料到质量为太阳质量 30 倍的合并黑洞的存在。POSYDON 已经证明，如此巨大的黑洞可能存在于类似银河系的星系中。”西北大学物理与天文学系 Daniel I. Linzer 杰出大学物理与天文学教授、西北大学跨学科探索与研究中心主任 Vicky Kalogera 解释道。天体物理学(CIERA)，本研究的合著者。

以前的模型高估了某些方面，例如大质量恒星的膨胀，这会影响它们的质量损失和双星相互作用。这些元素是决定合并黑洞特性的关键成分。得益于完全自洽的详细恒星结构和双星相互作用模拟，POSYDON 能够更准确地预测合并双星黑洞的属性，例如质量和自旋。

这项研究首次利用新发布的开源 POSYDON 软件来研究合并双黑洞。它为像我们这样的星系中合并黑洞的形成机制提供了新的见解。研究团队目前正在开发新版本的 POSYDON，其中将包括一个更大的详细恒星和双星模拟库，能够模拟更广泛的星系类型中的双星。