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双峰黑洞质量分布和双黑洞合并的啁啾质量

科学探索万象经验2023-10-05

科学家用引力波望远镜探测到了一些双黑洞合并的事件。这些事件是由两个黑洞在空间中旋转并相互靠近,最终合并成一个更大的黑洞而产生的。当黑洞合并时,它们会发出一种特殊的声音,叫做啁啾。啁啾的频率和振幅会随着黑洞合并的过程而变化,从低到高,从小到大。啁啾的特征可以告诉我们一些关于黑洞的信息,比如它们的质量、自旋和距离。

但是,你知道吗?并不是所有的黑洞都是一样的。事实上,有一些证据表明,恒星质量的黑洞(也就是由死亡的恒星形成的黑洞)有两种不同的类型。一种是大约9倍太阳质量的黑洞,另一种是大约16倍太阳质量的黑洞。这两种类型之间有一个明显的缺口,很少有10到12倍太阳质量的黑洞存在。这就像是一个双峰山脉,有两个高峰和一个低谷。

那么,为什么会有这样的双峰分布呢?这跟恒星是如何演化和死亡的有关。恒星是由氢气组成的巨大球体,在它们内部发生核聚变反应,产生能量和辐射。当恒星耗尽了它们内部的氢气后,它们会开始燃烧更重的元素,比如氦、碳、氧等等。这些元素会在恒星内部形成不同层次的壳层,就像一个洋葱一样。

但是,并不是所有的恒星都是孤独地生活和死亡的。有些恒星会和其他恒星形成双星系统,相互围绕着公共质心旋转。当其中一个恒星膨胀到足够大时,它会把它外层的气体转移给另一个恒星。这样,原来较大的恒星就会失去它外层的氢气包层,变成一个裸露的核心。我们称之为二元剥离星。

二元剥离星在死亡前会经历一些特殊的过程,影响它们最终形成黑洞时候所具有质量,其中一个重要因素是中微子。当二元剥离星燃烧碳和氖时,中微子会带走很多能量,导致核心温度降低,压力减小。这样,核心就会变得更加致密,更难以爆炸。因此,二元剥离星很可能会在死亡时候直接塌缩成黑洞,而不是经历一次剧烈的超新星爆发。

这就是为什么二元剥离星会形成两种不同类型的黑洞的原因。当二元剥离星燃烧碳时,它们会形成大约9倍太阳质量的黑洞。当二元剥离星燃烧氖时,它们会形成大约16倍太阳质量的黑洞。在这两种情况下,中微子都会阻碍核心爆炸,导致黑洞形成。而在10到12倍太阳质量之间,核心的结构和温度不够适合形成黑洞,所以这里就有一个缺口。

那么,这些双峰分布的黑洞会怎样合并呢?当两个黑洞合并时,它们的啁啾质量是一个很重要的参数。啁啾质量是由两个黑洞的质量和自旋决定的一个组合量,它可以影响啁啾的频率和振幅。如果我们知道了啁啾质量,我们就可以估计出两个黑洞的质量和距离。

由于二元剥离星形成的黑洞有两种不同类型,它们的啁啾质量也会有两个高峰和一个低谷。大约9倍太阳质量的黑洞合并时,它们的啁啾质量大约是8倍太阳质量。大约16倍太阳质量的黑洞合并时,它们的啁啾质量大约是14倍太阳质量。而在10到12倍太阳质量之间,很少有黑洞合并,所以这里的啁啾质量也很少。

这些特征在引力波望远镜探测到的双黑洞合并事件中已经有所体现。从目前已经公布的数据来看,我们可以看到啁啾质量分布有一个缺口和两个高峰。这些特征与我们对二元剥离星形成的黑洞的理论预测是一致的。

这些发现对于我们理解恒星演化和死亡、超新星爆发和黑洞形成都有重要意义。它们也为我们提供了一种新的方法来测量宇宙的膨胀速度。如果我们能够更精确地测量双黑洞合并事件的距离和红移,我们就可以用它们作为标准声源,来推算出哈勃常数。