在合并前，一個(gè)31.5太陽質(zhì)量的像們星系黑洞和一個(gè)8.38太陽質(zhì)量的黑洞伴體在它的(計(jì)算機(jī)生成的)恒星托兒所前被觀察到。鳴謝:Aaron m . ge ller/Northwestern CIERA & NUIT-RCS；ESO / S .布魯尼耶
（神秘的中合地球uux.cn）據(jù)日內(nèi)瓦大學(xué)：黑洞是宇宙中最迷人的實(shí)體之一，擁有強(qiáng)大的并黑引力，甚至連光都無法逃脫。起源2015年對兩個(gè)黑洞合并引起的揭示引力波的突破性探測，打開了一個(gè)新的像們星系宇宙窗口。
從那時(shí)起，中合數(shù)十次這樣的并黑觀測激發(fā)了天體物理學(xué)家對它們的天體物理起源的探索。由于POSYDON代碼最近在模擬雙星群體方面取得了重大進(jìn)展，起源一組科學(xué)家，揭示包括來自日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)、像們星系西北大學(xué)和佛羅里達(dá)大學(xué)(UF)的中合一些科學(xué)家，預(yù)測了在類似銀河系的并黑星系中存在合并的大質(zhì)量、30個(gè)太陽質(zhì)量的起源黑洞雙星，挑戰(zhàn)了以前的理論。這些結(jié)果發(fā)表在《自然天文學(xué)》上。
恒星質(zhì)量黑洞是由恒星坍縮產(chǎn)生的天體，其質(zhì)量是我們太陽的幾倍到幾百倍。它們的引力場如此之強(qiáng)，以至于無論是物質(zhì)還是輻射都無法避開它們，這使得探測它們變得異常困難。因此，當(dāng)2015年激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)探測到兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的時(shí)空微小波紋時(shí)，這被譽(yù)為一個(gè)分水嶺時(shí)刻。根據(jù)天體物理學(xué)家的說法，信號來源處的兩個(gè)合并黑洞的質(zhì)量約為太陽的30倍，位于15億光年之外。
橋接理論和觀察
是什么機(jī)制產(chǎn)生了這些黑洞？它們是兩顆恒星演化的產(chǎn)物嗎？這兩顆恒星與我們的太陽相似，但質(zhì)量要大得多，是在雙星系統(tǒng)中演化的嗎？或者它們是由人口稠密的星團(tuán)中的黑洞偶然相遇而產(chǎn)生的？或者可能涉及到一種更奇特的機(jī)制？所有這些問題今天仍在激烈辯論。
由日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)、西北大學(xué)和佛羅里達(dá)大學(xué)(UF)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的POSYDON合作小組在模擬雙星群體方面取得了重大進(jìn)展。這項(xiàng)工作有助于提供更準(zhǔn)確的答案，并使理論預(yù)測與觀察數(shù)據(jù)相一致。
“由于不可能直接觀察到合并的二元黑洞的形成，因此有必要依靠模擬來再現(xiàn)它們的觀察特性。我們通過模擬雙星系統(tǒng)從誕生到二元黑洞系統(tǒng)的形成來做到這一點(diǎn)，”UNIGE科學(xué)學(xué)院天文系的博士后研究員Simone Bavera解釋道，他也是這項(xiàng)研究的主要作者。
挑戰(zhàn)模擬的極限
解釋合并的二元黑洞的起源，如2015年觀察到的那些黑洞，需要將理論模型預(yù)測與實(shí)際觀察進(jìn)行比較。用來模擬這些系統(tǒng)的技術(shù)被稱為“二元群體合成”
“這項(xiàng)技術(shù)模擬了數(shù)千萬個(gè)雙星系統(tǒng)的演化，以便估計(jì)由此產(chǎn)生的引力波源群體的統(tǒng)計(jì)特性。然而，為了在合理的時(shí)間框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員迄今為止一直依賴于使用近似方法模擬恒星演化及其雙星相互作用的模型。因此，單一和二元恒星物理學(xué)的過度簡化導(dǎo)致了不太準(zhǔn)確的預(yù)測，”UNIGE科學(xué)學(xué)院天文系助理教授Anastasios Fragkos解釋道。
POSYDON克服了這些限制。作為開源軟件，它利用預(yù)先計(jì)算的大型詳細(xì)的單星和雙星模擬庫來預(yù)測孤立雙星系統(tǒng)的演化。這些詳細(xì)的模擬中的每一個(gè)在超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行可能需要多達(dá)100個(gè)CPU小時(shí)，使得這種模擬技術(shù)不能直接應(yīng)用于二進(jìn)制群體合成。
“然而，通過預(yù)先計(jì)算一個(gè)涵蓋初始條件整個(gè)參數(shù)空間的模擬庫，POSYDON可以利用這個(gè)廣泛的數(shù)據(jù)集和機(jī)器學(xué)習(xí)方法來預(yù)測二進(jìn)制系統(tǒng)在不到一秒鐘內(nèi)的完整演化。佛羅里達(dá)大學(xué)物理系助理教授杰弗里·安德魯斯解釋說:“這一速度與上一代快速群體合成代碼相當(dāng)，但準(zhǔn)確性有所提高。”。
引入新模式
“在POSYDON之前的模型預(yù)測，在類似于銀河系的星系中，合并的二元黑洞的形成率可以忽略不計(jì)，他們特別沒有預(yù)料到質(zhì)量為我們太陽30倍的合并黑洞的存在。POSYDON已經(jīng)證明了這樣的大質(zhì)量黑洞可能存在于類似銀河系的星系中，”Vicky Kalogera解釋道，他是西北大學(xué)物理和天文系的Daniel I. Linzer杰出的物理和天文大學(xué)教授，天體物理學(xué)跨學(xué)科探索和研究中心(CIERA)的主任，也是這項(xiàng)研究的共同作者。
以前的模型高估了某些方面，如大質(zhì)量恒星的膨脹，這影響了它們的質(zhì)量損失和雙星的相互作用。這些元素是決定合并黑洞性質(zhì)的關(guān)鍵因素。由于完全自洽的詳細(xì)恒星結(jié)構(gòu)和雙星相互作用模擬，POSYDON實(shí)現(xiàn)了對合并雙星黑洞屬性(如質(zhì)量和自旋)的更準(zhǔn)確預(yù)測。
這項(xiàng)研究首次利用新發(fā)布的開源POSYDON軟件來研究合并的二元黑洞。它為像我們這樣的星系中合并黑洞的形成機(jī)制提供了新的見解。研究小組目前正在開發(fā)新版本的POSYDON，它將包括一個(gè)更大的詳細(xì)恒星和雙星模擬庫，能夠模擬更廣泛的星系類型中的雙星。

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