黑洞如何碰撞和融合的奧秘

去年，科學家們宣布，他們終於觀察到了引力波，這是阿爾伯特·愛因斯坦首先提出的。這些波浪來自一場災難性的事件，距離地球約13億光年的兩個黑洞的碰撞，釋放的能量在宇宙中波動，這種碰撞的形態很像池塘里的波紋。

升級之後的激光干涉儀重力波觀測台（Advanced LIGO）的檢測以及隨後的兩次引力波發現證實了愛因斯坦1915年一般相對論的一個重大預測，預示著物理學的新時代，使科學家們能夠使用重力而不是光來研究宇宙。

但是一個根本的問題仍然沒有得到答案：黑洞為什麼會相互碰撞？

為了使黑洞融合，它們必須非常接近天文標準，不超過地球和太陽之間距離的五分之一。但是，只有擁有質量達到一定的標準的恆星才能成為黑洞，而在他們生命發展末尾時，這些恆星體積會變得更大最終成為黑洞。所以想要有兩個黑洞而且距離很近，在宇宙中就有一種雙星系統。

一個新的研究發表在「自然通訊」上，當時使用了一個模型叫「COMPAS模型」，利用這個模型，科學家試圖回答雙星最終將成為黑洞並且合并的事件。這是COMPAS研究人員對引力波追求的一種「古生物學」。

「古生物學家，誰都沒有見過活的恐龍，但是從其遺骸卻能還原其大概的樣貌，」伊利亞·曼德爾，伯明翰大學的資深學者說，「以類似的方式，我們可以分析黑洞的合并情況，並用這些觀察來了解這些天體在短暫而激烈的運動是中如何互動。」他們發現，即使兩個不同軌道的古老天體在自生不斷擴張時也可以互動，並且進行多次物質交換。

研究人員通過分析LIGO檢測到的三個引力波事件，並試圖查看所有三個事件的黑洞碰撞是否以相同的方式演化，這被稱為「通過共同包絡相位進行經典的孤立雙星演化」。它開始於雙星系統中的兩個巨大的古老巨星，隨著天體步入末期時的不斷膨脹，彼此間的物質交換和氣體不斷噴出，所以此時的雙星系統間能量被消耗，使得兩個天體間距離不斷靠近，一旦他們變得非常接近，就不能逃避對方的引力，接著他們就開始互動，進行了多次傳播。這就導致了非常快速，動態不穩定的黑洞融合，並且其包圍了濃密的氫氣雲中的恆星核心。

該團隊表示：「從系統中排出這種氣體會使能量遠離軌道。「這使得兩顆天體在足夠小的時候能足夠靠近，引導波發射是有效的，當在它們足夠小的時候，這樣的接近度將不再使它們接觸。」實際上需要幾百萬年的時間才能形成兩個黑洞，黑洞融合之前可能會延續數十億年，形成一個更加巨大的黑洞。但是，合并事件本身可能是快速和暴力的。

研究人員表示，使用COMPAS進行的模擬也有助於團隊了解這種事件的典型屬性，從而形成這樣一對合并黑洞以及可能發生的環境。例如，該團隊發現，兩個黑洞合并的一個強有力的跡象，表明恆星幾乎完全由氫和氦，其他元素貢獻不到0.1％的恆星物質（相比之下，我們太陽的這個比例大約是2％）。他們能夠確定LIGO檢測到的所有三個事件都可能在低金屬環境中形成。黑洞合并從而產生時空漣漪在LIGO能夠觀察到的時空中發出這些波紋。

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