揭示了像我们这样的星系中合并黑洞的起源 _星系

在合并前，一个31.5太阳质量的黑洞和一个8.38太阳质量的黑洞伴体在它的(计算机生成的)恒星托儿所前被观察到。鸣谢:Aaron m . ge ller/Northwestern CIERA & NUIT-RCS；ESO / S .布鲁尼耶
据日内瓦大学：黑洞是宇宙中最迷人的实体之一，拥有强大的引力，甚至连光都无法逃脱。2015年对两个黑洞合并引起的引力波的突破性探测，打开了一个新的宇宙窗口。
从那时起，数十次这样的观测激发了天体物理学家对它们的天体物理起源的探索。由于POSYDON代码最近在模拟双星群体方面取得了重大进展，一组科学家，包括来自日内瓦大学(UNIGE)、西北大学和佛罗里达大学(UF)的一些科学家，预测了在类似银河系的星系中存在合并的大质量、30个太阳质量的黑洞双星，挑战了以前的理论。这些结果发表在《自然天文学》上。
恒星质量黑洞是由恒星坍缩产生的天体，其质量是我们太阳的几倍到几百倍。它们的引力场如此之强，以至于无论是物质还是辐射都无法避开它们，这使得探测它们变得异常困难。因此，当2015年激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到两个黑洞合并产生的时空微小波纹时，这被誉为一个分水岭时刻。根据天体物理学家的说法，信号来源处的两个合并黑洞的质量约为太阳的30倍，位于15亿光年之外。
桥接理论和观察
是什么机制产生了这些黑洞？它们是两颗恒星演化的产物吗？这两颗恒星与我们的太阳相似，但质量要大得多，是在双星系统中演化的吗？或者它们是由人口稠密的星团中的黑洞偶然相遇而产生的？或者可能涉及到一种更奇特的机制？所有这些问题今天仍在激烈辩论。
由日内瓦大学(UNIGE)、西北大学和佛罗里达大学(UF)等机构的科学家组成的POSYDON合作小组在模拟双星群体方面取得了重大进展。这项工作有助于提供更准确的答案，并使理论预测与观察数据相一致。
“由于不可能直接观察到合并的二元黑洞的形成，因此有必要依靠模拟来再现它们的观察特性。我们通过模拟双星系统从诞生到二元黑洞系统的形成来做到这一点，”UNIGE科学学院天文系的博士后研究员Simone Bavera解释道，他也是这项研究的主要作者。
挑战模拟的极限
解释合并的二元黑洞的起源，如2015年观察到的那些黑洞，需要将理论模型预测与实际观察进行比较。用来模拟这些系统的技术被称为“二元群体合成”
“这项技术模拟了数千万个双星系统的演化，以便估计由此产生的引力波源群体的统计特性。然而，为了在合理的时间框架内实现这一目标，研究人员迄今为止一直依赖于使用近似方法模拟恒星演化及其双星相互作用的模型。因此，单一和二元恒星物理学的过度简化导致了不太准确的预测， ”UNIGE科学学院天文系助理教授Anastasios Fragkos解释道。
POSYDON克服了这些限制。作为开源软件，它利用预先计算的大型详细的单星和双星模拟库来预测孤立双星系统的演化。这些详细的模拟中的每一个在超级计算机上运行可能需要多达100个CPU小时，使得这种模拟技术不能直接应用于二进制群体合成。
“然而，通过预先计算一个涵盖初始条件整个参数空间的模拟库，POSYDON可以利用这个广泛的数据集和机器学习方法来预测二进制系统在不到一秒钟内的完整演化。佛罗里达大学物理系助理教授杰弗里·安德鲁斯解释说:“这一速度与上一代快速群体合成代码相当，但准确性有所提高。” 。
引入新模式
“在POSYDON之前的模型预测，在类似于银河系的星系中，合并的二元黑洞的形成率可以忽略不计，他们特别没有预料到质量为我们太阳30倍的合并黑洞的存在。POSYDON已经证明了这样的大质量黑洞可能存在于类似银河系的星系中，”Vicky Kalogera解释道，他是西北大学物理和天文系的Daniel I. Linzer杰出的物理和天文大学教授，天体物理学跨学科探索和研究中心(CIERA)的主任，也是这项研究的共同作者。
以前的模型高估了某些方面，如大质量恒星的膨胀，这影响了它们的质量损失和双星的相互作用。这些元素是决定合并黑洞性质的关键因素。由于完全自洽的详细恒星结构和双星相互作用模拟， POSYDON实现了对合并双星黑洞属性(如质量和自旋)的更准确预测。
这项研究首次利用新发布的开源POSYDON软件来研究合并的二元黑洞。它为像我们这样的星系中合并黑洞的形成机制提供了新的见解。研究小组目前正在开发新版本的POSYDON，它将包括一个更大的详细恒星和双星模拟库，能够模拟更广泛的星系类型中的双星。