2015年首次探測(cè)到的引力波為黑洞碰撞產(chǎn)生，而這可能涉及宇宙中14%的大質(zhì)量恒星
圖解：雙黑洞和引力波示意圖。圖源：原文
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞會(huì)形成、甚至相撞。他亦預(yù)言了相撞會(huì)產(chǎn)生引力波。但這有多常發(fā)生？我們又可以推算這涉及多少恒星嗎？
范德堡大學(xué)的物理學(xué)家嘗試在最新的研究中，找出其中的答案。
在2015年LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）首次探測(cè)到引力波后，他們就引領(lǐng)全球步入了天文學(xué)的新時(shí)代。那些引力波源自約13億年前兩個(gè)大質(zhì)量黑洞的碰撞。這再一次證明了愛(ài)因斯坦的理論是對(duì)的。
圖解：LIGO（位于在美國(guó)華盛頓州的激光干涉引力波天文臺(tái)）。圖源：University of Washington
從兩個(gè)黑洞的第一次碰撞開(kāi)始，LIGO公布了偵測(cè)到的另外四十多個(gè)黑洞碰撞，并名其為「雙黑洞事件」。其中10項(xiàng)已被確認(rèn)。首次發(fā)現(xiàn)黑洞碰撞的確是件令人興奮的事，但這種感覺(jué)漸漸減退。現(xiàn)在，天體物理學(xué)家們提出了不少疑問(wèn)：
圖解：2015年探測(cè)引力波的過(guò)程，當(dāng)中包含了兩個(gè)確認(rèn)的信號(hào)。十月探測(cè)到的的太弱所以并不肯定。圖源：LIGO
圖解：LIGO探測(cè)到的其他由黑洞碰撞而發(fā)出的引力波。圖源：LIGO
「研究員已然可以從理論上解釋雙黑洞的形成與存在，但它們的前身，即恒星，仍是一個(gè)謎?！埂兜卤ご髮W(xué)的首席作者卡蘭·賈尼
卡蘭·賈尼是范德堡大學(xué)中專門(mén)研究黑洞的天體物理學(xué)家。他亦是LIGO里有份參與首次檢測(cè)到引力波的科學(xué)家，并以這個(gè)項(xiàng)目成為了基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)的共同獲獎(jiǎng)?wù)摺?/div>
這項(xiàng)在《天文物理期刊通訊》發(fā)表的新研究名為「LIGO黑洞的全球恒星預(yù)算」，合著者是哈佛大學(xué)天文系主任亞伯拉罕·勒布。
百年前，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)測(cè)了黑洞會(huì)并合、并釋出引力波。至今，LIGO已探測(cè)到不少的雙黑洞事件。兩條問(wèn)題就此浮現(xiàn)：恒星演化過(guò)程是如何產(chǎn)生這些大質(zhì)量（>30 太陽(yáng)質(zhì)量）黑洞的？在宇宙的壽命中，兩個(gè)黑洞是如何靠近到可以融合的？
圖解：兩個(gè)黑洞靠近、盤(pán)旋、并合的繪圖。圖源：LIGO
「研究員已然可以從理論上解釋雙黑洞的形成與存在，但它們的前身，即恒星，仍是一個(gè)謎。 」范德堡大學(xué)天體物理學(xué)家、研究的首席作家卡蘭·賈尼說(shuō)。 「透過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我們以現(xiàn)有的天體物理學(xué)觀測(cè)結(jié)果，對(duì)相撞的黑洞進(jìn)行了一系列鑒識(shí)研究。在這個(gè)過(guò)程中，我們建立了一個(gè)基本限制、或者叫預(yù)算。它可以告訴我們宇宙中從一開(kāi)始就注定以黑洞形式相撞的恒星比例。」
LIGO所探測(cè)到的首個(gè)雙黑洞引力波只維持了0.2秒，但碰撞中釋放的能量是宇宙中所有可觀測(cè)恒星之和的50多倍。每一個(gè)黑洞大約是30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
LIGO有黑洞并合的相關(guān)記載。研究員依靠著這些數(shù)據(jù)和愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論去完成他們的研究。他們以LIGO的記錄，創(chuàng)建了宇宙時(shí)空資源在任何一點(diǎn)的清單。如范德堡大學(xué)的新聞稿所說(shuō)，「他們接著就列出了能解釋雙黑洞過(guò)程中每一步的限制：如宇宙中可用恒星的數(shù)目、每一顆恒星演化為黑洞的過(guò)程、以及這些黑洞碰撞后的探測(cè)——在幾億年后才被LIGO以碰撞釋出引力波的方式接收到。
「從現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)推算，宇宙中約14%的大質(zhì)量恒星注定要以黑洞的形式碰撞?！埂兜卤ご髮W(xué)的首席作者卡蘭·賈尼
研究團(tuán)隊(duì)所得出的數(shù)字是14%，但這個(gè)數(shù)字有一些條件。它只能應(yīng)用于大于30太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞、還有黑洞間的距離需與它們前身星的直徑相若。
圖解：大質(zhì)量恒星示意圖。圖源：SciTechDaily
自然，這項(xiàng)研究有很多細(xì)節(jié)。它解釋，宇宙中有一個(gè)「質(zhì)量預(yù)算」限制了可以演化成大于30太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的恒星數(shù)量。那些作者希望厘清前身星質(zhì)量和黑洞的關(guān)系。但因?yàn)楹阈堑慕饘俣群退纬傻臅r(shí)期都要被計(jì)算在內(nèi)，這個(gè)關(guān)系并不簡(jiǎn)單。
「從現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)推算，宇宙中約14%的恒星注定要以黑洞的形態(tài)碰撞。這就是大自然驚人的效率。 」卡蘭·賈尼說(shuō)?！冈谖覀冞@個(gè)框架之上添加的限制，應(yīng)該可以幫助研究員追蹤黑洞的歷史、拆解千古之謎和解鎖更多稀奇古怪的場(chǎng)景?！?/div>
FY: Rochelle Leung
作者：Evan Gough
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