黑洞如何合并？新黑洞会再次合并吗？

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图解：位于M87中心的特大质量黑洞。

这是由事件视界望远镜所成像、人类史上第一张直接对黑洞观测的天文影像

图源：eso

如今，科学家们逐渐熟悉了在黑夜里碰撞的黑洞。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）因为探测到了遥远星系中的两颗黑洞碰撞时产生的时空轰鸣而创造了 历史 。这次发现证实了双恒星质量黑洞的存在，也就是那些由壮观的超新星爆发死亡的巨大恒星形成的黑洞。从那以后，我们又发现了其他合并（外加一次中子星合并）。

图解：计算机模拟的黑洞双星 图源：aasnova

2018年4月10日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的一项研究中，研究人员认为，黑洞有可能是通过不断合并来形成仅由一颗恒星不能形成的巨大黑洞。而球状星团将会是这些天体一次又一次形成和合并的完美邻居。

麻省理工学院与卡夫利天体物理学和空间研究所的卡尔.罗利葛兹（Carl Rodriguez）在一次陈述中说到：“我们认为这些星团存在成百上千颗黑洞，这些黑洞会迅速地向星团中心下沉”。 “这些星团本质上是形成黑洞双星的工厂，因为这些星团中有大量的黑洞挂在一个小的空间区域，这就方便了两颗黑洞合并形成一颗更大的黑洞，新形成的黑洞随后会找另一个伴星再次合并，就这样周而复始”

图解：M13:武仙座大球状星团 图源：NASA.

激光干涉引力波天文台（LIGO）至今还没有发现 “第二代合并（second-generation mergers）”。迄今为止发现的合并，都涉及到恒星质量黑洞（那些可能由单颗大质量恒星形成的黑洞）。但是，如果将来能探测到由太阳质量50倍的黑洞合并产生的引力波，这将会是证实黑洞存在重复合并的有力证据。那将会是激动人心的发现。

罗利葛兹补充说：“如果我们耐心等待，激光干涉引力波天文台（LIGO）可能会探测到仅由星团中的黑洞产生的合并，因为在那里形成的黑洞可能会比单颗恒星形成的黑洞质量大得多。”

图解：球状星团中的黑洞 图源：spacetelescope

大多数星系中都有球状星团的存在，大的星系中甚至会有更多的球状星团。因此，在超巨椭圆星系中可能会存在成千上万的球状星团，而银河系大约有200个，一个距地球有7000光年的距离。这些星团存在大量古老的恒星，它们挤在一个小小的空间里，在此条件下星团中的黑洞极易下沉到中心，并与其他潜藏的黑洞“和谐相处”。

如果两颗黑洞从星团不同处下沉再彼此靠近，相对论计算表明它们将会发射引力波，由此消耗在星团内运动所释放的能量。能量的消耗将导致黑洞减速，随后开始以螺旋的方式相互靠近，最终形成相互环绕的双星轨道。再之后的命运就不难推测了，两颗黑洞将会持续地发射引力波，双星轨道逐渐收缩直到两颗黑洞相互碰撞，黑洞合并爆发的同时将发射出强烈并且可以光速传播的引力波。最后这颗新形成的黑洞将继续挂在星团内部等待另一颗黑洞下沉靠近，由此开始重复“双星舞蹈”。

图解：模拟双星产生的引力波 图源：time

但是，当罗利葛兹的团队进行模拟时，他们假设黑洞在合并的同时如果高速自转，得出来的结果相当有冲击力。

罗利葛兹说道：“如果两颗黑洞合并时高速自转，新形成的黑洞会发射单一特定方向的引力波，它会像火箭一样将这颗黑洞发射出来，速度会惊人的达到5000km/h。”“这颗黑洞只需要几十到一百公里每秒的速度就能逃离这些星团”

图解：拽着星体远离星团的黑洞 图源：universetoday

根据这一逻辑，如果新形成的黑洞被逐出这些星团，它就不能再次合并了。但是，通过分析激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到的黑洞典型自转数据，罗利葛兹团队发现黑洞自转速度要比想象中低得多，这就意味着这些星团很难失去它们新形成的黑洞。在做了修正之后，研究人员们发现近20%的黑洞双星中至少有一颗黑洞是经合并形成的。根据他们的推算，二代黑洞的质量大概在50—130倍太阳质量之间。所以除了合并，再没有其他方式能形成这种质量的黑洞了。

因此，现如今世界引力波探测器的任务就是发现由二代黑洞产生的信号。

作者: howstuffworks

FY: 七柒气

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