模拟演示：由恒星碰撞引发的巨型黑洞
来源：中国数字科技馆
（图片来源：Pixabay/CC0 Public Domain）
巨型恒星碰撞后会发生什么往往很难精确地预测，但意大利帕多瓦大学（University of Padova）的DEMOBLACK团队首次通过流体力学模拟对此进行推演，其结果指向一些奇特的效应，其中就包括巨星黑洞在恒星孕育带中的产生，这个区域中的巨大恒星彼此距离很近。
天体物理学家Michela Mapelli于2022年4月11日星期一下午1:30（美国东部时间）在美国物理协会举办的4月会议上展示了此模型的模拟结果。会议在纽约市线下和线上同时进行。Mapelli以接入会议的形式介绍她的研究发现，并且参加了4月9日星期六上午10点（美国东部时间的）网络新闻发布会。DEMOBLACK项目的研究成员除了Mapelli外还包括天体物理学家Alessandro Ballone和Guglielmo Costa。
（图片来源：pixabay）
Mapelli的模型回应了有关引力波场天文的一个紧迫问题：两个相距遥远的黑洞如何结合产生了GW190521，这是一个在2019年由LIGO和Virgo探测到的强大引力波场。GW190521的信号中发现了黑洞融合所携带的特征信息，碰撞的前身是两个分别为85倍和66倍太阳质量的黑洞，最终产生了一个质量超过140倍太阳的黑洞残骸。然而费解的地方在于，参与碰撞的黑洞质量处于“质量缺口”区域，即其质量大于恒星质量黑洞（约20倍太阳质量），而小于超大质量黑洞。物理学家们尚不确认质量处于这个区域的天体能否形成黑洞。
Mapelli和她的合作者曾在LIGO-Virgo观测结果公布前的一年就通过研究发现，恒星碰撞是可以在质量缺口上形成黑洞的。他们起先没有将流体力学纳入模拟，然而引力波GW190521的发现推进了他们在碰撞应用流体力学的模拟计算。根据DEMOBLACK的模拟计算，如此的庞然大物可能产生于大质量恒星的融合，比如密集分布于恒星孕育带中的那些大质量恒星可能出现此类融合。此前科学家中低质量恒星的碰撞进行了计算模拟，但Mapelli的研究则首次计算了大质量恒星碰撞的情况。她称：“还没有人对如此大质量的恒星碰撞进行过模拟。”
（图片来源：StockSnap/pixabay）
Mapelli将在APS会议上展示大质量双子黑洞在年轻星团中的动力学演化过程。模型从两颗恒星为对象开始，其中一颗是主序星，即演化初期的恒星，质量约为太阳的40倍。Mapelli解释说：“主序星主要由氢气构成，而另一颗恒星的年龄更大，内核由紧密的氦填充形成，其质量大约为太阳的60倍，是一颗半径和质量都很大、内核密度和外壳密度差距也极其大的恒星。”这些恒星在某些假设条件下可能会坍缩成一个质量超过50个太阳的黑洞，其后便演化成双子黑洞。Mapelli认为这类恒星碰撞可以演化形成质量超过40个太阳的黑洞，而且之后的反复碰撞和融合又会产生质量范围约为太阳的100倍到10000倍之间的黑洞。
自从《物理评论快报》（Physical Review Letters）2020年对引力波GW190521观测数据进行报道后，理论物理学家就一直在探寻其背后的动力学原理。一种观点认为，此类双子黑洞中可能包含原始黑洞，它们不是由恒星内核坍塌所形成的，而是来自早期宇宙的遗留物。而另一种观点则认为，恒星的碰撞发生在某个超大质量黑洞周围的密集气体盘内，随后的融合过程中可能产生了一个电磁耀斑，观测数据也能支持这一理论。
Mapelli对此研究保持开放性：“我们无法确定恒星碰撞是GW190521事件的唯一解释，模拟并不排斥其他假说，我们也需要考虑其他两种解释的可能性。”
翻译：范嘉豪
审校：董子晨曦
引进来源：美国物理学会（American Physical Society）
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