麻省理工学院研究人员的一项新研究认为，两个黑洞的不平衡合并可能有一个奇怪的起源故事。
图注：根据对LIGO数据的重新分析，两个黑洞的不对称合并可能具有奇怪的起源故事。
这次黑洞合并事件于2019年4月12日首次被发现为引力波，该引力波被LIGO（激光干涉仪引力波天文台）及其意大利对应的Virgo的探测器检测到。科学家将信号标记为GW190412，并确定该信号源于戴维和盖利斯两个黑洞之间的碰撞，一个黑洞的质量是另一个黑洞的三倍。该信号标志着首次检测到两个大小完全不同的黑洞之间的合并。
现在，这项新的研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，表明与一般认为大多数合并或双星形成的方式相比，这种不平衡的合并可能经历了截然不同的过程。
两个黑洞中较大的一个本身可能是两个父黑洞之间先前合并的产物。在第一次碰撞中旋转出来，在与第二个较小的黑洞合并之前，盖利斯可能围绕一个密集的"核星团"旋转，这是一个喧闹的事件，它使引力波在太空中荡漾。
GW190412可能是第二代，或"分层"合并，与LIGO和Virgo迄今检测到的其他第一代合并相一而出。
“这个事件是宇宙扔给我们的一个怪球——我们以前没有观察到过，” 研究合著者，麻省理工学院物理学助理教授，LIGO成员萨尔瓦托·维塔莱（Salvatore Vitale）说，“但是在宇宙中这算不得什么。类似的东西，尽管很少见，我们将再次见到，我们将能够更多地谈论宇宙。”
伯明翰大学的戴维·杰罗萨（Davide Gerosa）和约翰霍普金斯大学的伊曼纽尔·贝蒂（Emanuele Berti）是维塔莱的合著者。难以解释
黑洞合并被认为有两种主要方式。第一个被称为共同包络过程，其中数十亿年后，两个相邻的恒星爆炸形成两个相邻的黑洞，最终共享一个共同的包络或气体盘。又过了几十亿年，黑洞逐渐形成并合并。
"你可以这样想，就像一对夫妇一辈子在一起，"维塔莱说，"这个过程被怀疑发生在像我们这样的星系盘上。”
黑洞合并形成的另一种常见途径是通过动态交互。想象一下，在一夫一妻制的环境中，星系般的狂欢，成千上万的黑洞塞满了宇宙的一个小而密集的区域。当两个黑洞开始交融时，第三个黑洞可能会在动态相互作用中将这对夫妻分开，这种相互作用可以重复多次，直到一对黑洞最终合并。
在普通包络过程和动力相互作用情况下，合并的黑洞应具有大致相同的质量，这与GW190412的质量偏差比例不同。它们也应该相对没有自旋，而GW190412具有令人惊讶的高自旋。
维塔莱说：“最重要的是，这两种情况都是人们传统上认为是宇宙中黑洞双星的理想苗圃，它们难以解释这一事件的质量比和自旋。”黑洞追踪器
在他们的新论文中，研究人员使用了两种模型来表明GW190412不太可能来自于普通的包络过程或动态相互作用。
他们首先使用STAR TRACK建模了一个典型星系的演化，这是一个跟踪数十亿年的星系的模拟，从气体的聚结开始，一直到恒星形成并爆炸的方式，然后坍塌成黑洞，最终合并。第二个模型模拟球状星团中的随机，动态相遇，即大多数星系周围恒星的密集浓度。
该团队多次运行了两个模拟，调整了参数并研究了出现的黑洞合并的属性。对于那些通过通用信封程序形成的合并，像GW190412这样的合并非常罕见，仅在几百万次事件之后才出现。在几千次合并之后，动态交互更可能产生这样的事件。
但是，GW190412仅在其他50次检测后被LIGO和Virgo检测到，这表明它可能是通过其他过程产生的。
维塔莱说：“无论我们做什么，我们都不能轻易在这些更常见的编队渠道中发生这一事件。”
分层合并的过程可以更好地解释GW190412的不平衡质量及其高旋转。如果一个黑洞是以前两个质量相似的父级黑洞配对的产物，它本身会比任何一个父级黑洞都大，并且后来显著掩盖了其第一代合作伙伴，在最终合并中创造了很高的质量比。
分层过程也可以产生高旋转的合并：父级黑洞在其混乱的合并中会旋转生成的黑洞，然后将这种自旋带入其自身的最终碰撞中。
"你做数学运算，结果发现剩下的黑洞会旋转，非常接近这次合并的总旋转，"维塔莱解释道。无法逃避
维塔莱表示，如果GW190412确实是通过分层合并形成的，则该事件也可能会阐明其形成的环境。研究小组发现，如果先前的碰撞形成了两个黑洞中较大的一个，那次碰撞很可能会产生大量能量，这些能量不仅会旋转出一个新的黑洞，还会将其踢出一定距离。
维塔莱说：“如果踢得太厉害，它只会离开星团，进入空的星际介质，而无法再次合并。”
如果该对象能够再次合并（在这种情况下，将产生GW190412），则意味着它所接收到的踢动不足以逃脱形成它的恒星簇。如果GW190412确实是分层合并的产品，则团队计算出它应该发生在逃逸速度高于每秒150公里的环境中。为了便于观察，大多数球状星团的逃逸速度约为每秒50公里。
这意味着无论GW190412产生于何种环境，都具有巨大的引力，并且该团队认为，这种环境可能是超大质量黑洞周围的气体盘，也可能是“核星团”（宇宙中难以置信的密集区域） ，里面挤满了数千万颗恒星。
“这次合并一定来自一个不寻常的地方。” 维塔莱说，“随着LIGO和Virgo继续进行新的探测，我们可以利用这些发现来学习有关宇宙的新事物。”
