新知 物理

黑洞雙星系統是怎麼形成的?

Print Friendly and PDF
撰文者:陳勁豪 博士 (臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
發文日期:2016-06-27
點閱次數:2704
  • 幾位理論天文學家用電腦模擬的方式,提出了形成黑洞雙星系統的可能原因。

    LIGO今年二月宣佈發現重力波事件GW150914之後,正式開啟了重力波天文學的領域。根據LIGO所發表的結果,這個重力波事件是由兩個質量分別為36跟29個太陽質量的黑洞,合併而成一個質量為62個太陽質量的黑洞,放出的重力波總能量相當於三個太陽質量。LIGO所觀測到的重力波可以說是這兩個黑洞合併過程中,相互繞行旋轉的實況紀錄,總共約持續了0.2秒。換句話說,LIGO看到了整個黑洞合併過程的最後0.2秒。

     
    Black_hole_collisions
    相互繞行到最後兩者合一的黑洞雙星系統GW150914 (by LIGO, Wikimedia Commons)
     
    模擬黑洞雙星系統互繞與結合(Caltech-MIT-LIGO Laboratory, produced by SXS project)

    那麼,在這個0.2秒的過程之前,發生了什麼事情?這兩個黑洞是怎麼樣形成的?從形成黑洞到相互繞行到最後兩者合一,總共花了多少時間?幾位澳洲與美國的天文學家決定利用電腦模擬來研究這個問題。根據他們的計算結果,這兩個黑洞從形成到合併的過程大概是這個樣子:

    大約在大爆炸後20億年,在一個氫原子密度較高的區域中,出現了兩個質量各約在40到100個太陽質量的星體。一般而言,這種質量較高的星體要在宇宙早期才有辦法形成。如果有辦法觀察到的話,會發現他們比太陽更大更亮,可以說是宇宙中最明亮的星體之一。

    當這兩個星體以雙星系統的形式相互運行了大約四百萬年之後,其中一個星體就變成了黑洞。特別的是,在變成黑洞的時候,並沒有經過超新星爆炸的過程。雖然物理學家雨天文學家對這種從星球直接變成黑洞的過程還有些爭議,但是如果這個過程成立,那麼便可以解釋為什麼這個黑洞的質量可以高達幾十個太陽質量。因為如果發生了超新星爆炸,大部分的質量就會隨著爆炸而散失掉。

    當其中一個星體變成黑洞後,這個雙星系統依舊持續相互繞行。這時雙星系統中的黑洞開始吸取第二個星體的氫氣,使得第二個星體慢慢的變成一個核狀的結構,最後又以沒有發生超新星爆炸的形式變成黑洞。到這邊為止,整個過程大約需時數百萬年。

    接著這個黑洞雙星系統繼續相互繞行,相互吸引,長達約一百億年,最後相互碰撞放出重力波,並在宇宙中傳遞了12億年後抵達地球,被LIGO偵測到,並被命名為GW150914。

    整個過程由形成星體到放出重力波,到最後被偵測到,花了接近120億年。這是一個非常非常漫長的過程。

    如果這個模擬是對的,那麼在這兩個黑洞誕生的地方應該比起宇宙的其他角落會具有更高的氫原子密度。所以當未來有重力波被超過三部重力波偵測器偵測到的話,那麼便可以定位出重力波發生的位置,並利用其他的天文觀測技術驗證那個特定區域是否有更多的氫原子。如果那個區域有夠多的氫原子,那麼形成其他星體的機率應該也會較大。所以或許透過偵測到這種大質量黑洞合併的事件,我們可以觀察到宇宙早期形成星球的主要區域,進而增加我們對宇宙早期演化的認識。

    原始論文:
    The first gravitational-wave source from the isolated evolution of two stars in the 40–100 solar mass range
    Nature 534, 512–515 (23 June 2016)
    doi:10.1038/nature18322
    http://www.nature.com/nature/journal/v534/n7608/full/nature18322.html

    相關報導:
    Physicsworld 2016/06/23: How LIGO's merging black holes formed from two massive stars
    http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/jun/23/how-ligos-merging-black-holes-formed-from-two-massive-stars


     
回上一頁