通過對(duì)一顆垂死恒星的模擬研究，一組理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了通過探測(cè)引力波發(fā)現(xiàn)的黑洞演化起源和最大質(zhì)量。

激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)和室女座干涉引力波天線(VIRGO)對(duì)引力波的激發(fā)探測(cè)表明，在近雙星系統(tǒng)中存在合并黑洞。觀測(cè)到的黑洞在合并前的質(zhì)量已經(jīng)被測(cè)量過，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量比之前預(yù)期的要大得多，大約是太陽質(zhì)量的10倍。

在GW170729這樣的事件中，一個(gè)黑洞在合并前的觀測(cè)質(zhì)量實(shí)際上相當(dāng)于大約50倍太陽質(zhì)量。但目前還不清楚哪些恒星可以形成這么大質(zhì)量的黑洞，也不清楚引力波探測(cè)器觀測(cè)到的黑洞最大多少。為了回答這個(gè)問題，卡夫利宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所（Kavli IPMU）的一個(gè)研究小組，由項(xiàng)目研究員梁成智(目前在加州理工學(xué)院)、高級(jí)科學(xué)家野本健一和來訪的高級(jí)科學(xué)家謝爾蓋·布林尼科夫(位于摩梭的理論與實(shí)驗(yàn)物理研究所教授)組成。

研究了超大質(zhì)量恒星演化的最后階段，尤其是近雙星系統(tǒng)中80至130倍太陽質(zhì)量恒星。在近雙星系統(tǒng)中，最初80到130倍太陽質(zhì)量的恒星，失去了它們富含氫的外層包層，變成了40到65個(gè)太陽質(zhì)量的氦星。當(dāng)初始的所有太陽質(zhì)量恒星形成富氧核心時(shí)，恒星會(huì)經(jīng)歷動(dòng)態(tài)脈動(dòng)，因?yàn)楹阈莾?nèi)部的溫度變得足夠高，足以將光子轉(zhuǎn)化為電子-正電子對(duì)。這種“成對(duì)創(chuàng)造”會(huì)使核心不穩(wěn)定，加速收縮崩塌，在過度壓縮的恒星中，氧氣會(huì)爆炸燃燒。

黑洞的起源和最大質(zhì)量

這會(huì)引發(fā)恒星的崩塌，然后迅速膨脹。恒星外層的一部分被拋出，而內(nèi)部冷卻并再次坍塌。脈動(dòng)(塌陷和膨脹)不斷重復(fù)，直到氧氣耗盡。這個(gè)過程被稱為脈動(dòng)對(duì)不穩(wěn)定性(PPI)。該恒星形成鐵核，最終坍縮成一個(gè)黑洞，這將引發(fā)超新星爆炸，也就是眾所周知的PPI-超新星(PPISN)。通過計(jì)算幾次這樣的脈動(dòng)和相關(guān)的質(zhì)量拋射，直到恒星坍塌形成黑洞。研究發(fā)現(xiàn)，由脈動(dòng)對(duì)不穩(wěn)定導(dǎo)致超新星形成黑洞的最大質(zhì)量為52倍太陽質(zhì)量。

最初質(zhì)量大于130倍太陽質(zhì)量的恒星（形成質(zhì)量大于65倍太陽質(zhì)量的氦恒星）會(huì)經(jīng)歷成對(duì)不穩(wěn)定的超新星過程，這是因?yàn)楸ㄐ缘难鯕馊紵?，完全破壞了恒星，沒有黑洞殘留物。300倍太陽質(zhì)量以上的恒星坍塌，并可能形成約150倍太陽質(zhì)量更大的黑洞。上述結(jié)果預(yù)測(cè)，黑洞質(zhì)量在52至150個(gè)太陽質(zhì)量之間存在“質(zhì)量間隙”。結(jié)果表明，GW170729中質(zhì)量為50倍太陽質(zhì)量的黑洞，極有可能是脈動(dòng)對(duì)不穩(wěn)定超新星的殘留物。

同時(shí)還預(yù)測(cè)，脈動(dòng)質(zhì)量損失將形成質(zhì)量較大的星周介質(zhì)，因此與黑洞形成相關(guān)的超新星爆炸，將導(dǎo)致拋射物質(zhì)與星周物質(zhì)發(fā)生碰撞，成為超超新星，未來的引力波信號(hào)將為檢驗(yàn)理論預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)。

博科園｜研究/來自：卡夫里宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所

參考期刊《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab4fe5

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