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碎裂超大质量恒星坍缩过程中遇到的各个阶段每个面板都显示赤道平面的密度分布恒星旋转速度快,坍塌开始时的结构(左上图)是准环形(最大密度)离心,从而产生最大密度的环)模拟在黑洞落户后结束(右下图)信用:Christian Reisswig / Caltech来自加州理工学院研究人员的一项新研究详细描述了快速旋转的超大质量恒星的崩溃

早期的宇宙研究表明,微小的扰动导致这些恒星在坍缩过程中偏离非轴对称的形状,导致形成两个高自旋超大质量黑洞的系统,这些黑洞吸引并合并黑洞 - 空间中的大质量物体引力非常大,甚至没有光可以逃脱它们 - 有各种各样的尺寸在规模较小的一端是stel在恒星死亡期间形成的大质量黑洞在较大的一端是超大质量黑洞,它们的质量高达我们太阳质量的十亿倍

数十亿年来,小黑洞可以慢慢成长为超大质量的黑洞

从周围环境中获取质量以及与其他黑洞合并但是这个缓慢的过程无法解释早期宇宙中存在的超大质量黑洞的问题 - 这种黑洞将在大爆炸之后不到10亿年形成加利福尼亚理工学院(加州理工学院)研究人员的新发现可能有助于测试解决这一问题的模型

超大质量黑洞生长的某些模型会引发由于早期恒星死亡而导致的“种子”黑洞的存在

黑洞通过拾取周围的材料来获得质量并增加尺寸 - 这个过程称为吸积 - 或者通过与其他黑洞合并“但在这些之前在宇宙诞生之后不久,任何黑洞都没有足够的时间达到超大规模的尺度,“美国宇航局爱因斯坦加州理工学院天体物理学博士后研究员克里斯蒂安雷斯维希说,”该研究的主要作者如果坍塌物体的“种子”质量已经足够大,那么只有年轻宇宙中的超大质量尺度的黑洞似乎才有可能

“他说,调查年轻超大质量黑洞的起源,Reisswig与Christian Ott,助理教授合作理论天体物理学和他们的同事转向了一个涉及超大质量恒星的模型这些巨大的,相当异国情调的恒星假设在早期宇宙中只存在了一小段时间

与普通恒星不同,超大质量恒星主要通过自身的光子辐射来抵抗重力

在一颗非常大质量的恒星中,光子辐射 - 由于恒星非常高而产生的光子向外通量gh内部温度 - 将气体从恒星向外推,与引力回吸入的重力相反

当两个力相等时,这种平衡被称为流体静力平衡

在它的生命过程中,超大质量恒星由于能量损失而缓慢冷却

光子辐射的发射随着恒星冷却,它变得更加紧凑,并且其中心密度缓慢增加

这个过程持续了几百万年,直到恒星达到足够的紧凑性以引入重力不稳定并且恒星开始重力坍缩Reisswig说,先前的研究预测,当超大质量恒星坍缩时,它们保持球形,由于快速旋转可能变得扁平

这种形状被称为轴对称配置结合了非常快速旋转的恒星容易产生微小扰动的事实,Reisswig和他的同事们预测这些扰动可能导致恒星偏离坍缩过程中的非轴对称形状这种最初微小的扰动将迅速增长,最终导致坍缩恒星内部的气体聚集并形成高密度碎片

这些碎片围绕恒星中心运行,随着它们拾取物质变得越来越密集在崩溃期间;他们也会增加温度然后,Reisswig说,“一个有趣的效果开始“在足够高的温度下,将有足够的能量将电子及其反粒子或正电子匹配到所谓的电子 - 正电子对中

电子 - 正电子对的产生将导致压力损失,进一步加速崩溃;结果,两个轨道碎片最终会变得如此密集,以至于每个团块都会形成一个黑洞

然后,这两个黑洞可能会在合并成一个大黑洞之前相互螺旋旋转“这是一个新的发现,”Reisswig他说:“没有人曾预测过一颗坍塌的恒星会产生一对黑洞然后合并”一个快速差动旋转的超大质量恒星的崩塌带有一个微小的初始m = 2密度扰动恒星对非轴对称m =不稳定2模式,坍塌,并形成两个黑洞新生黑洞随后在强大的引力辐射下发射并合并在绝热指数Gamma减少约025%的情况下加速崩溃,这是由高电子正电子对产生的

温度模拟和可视化由Christian Reisswig(加州理工学院)Reisswig和他的同事使用超级计算机模拟一颗处于边缘的超大质量恒星f collapse通过组合数百万个点组成的视频可视化模拟,这些点代表关于密度,重力场和构成崩塌恒星的气体的其他属性的数值数据尽管该研究涉及计算机模拟,因此纯粹是理论上的,在实践中Reisswig说,黑洞对的形成和合并可以在空间和时间的结构中产生巨大的引力辐射波纹,以光速传播 - 这可能在我们的宇宙边缘可见

由加州理工学院联合管理的地面观测站,如激光干涉仪引力波观测台(LIGO),正在寻找这种引力辐射的迹象,这是阿尔伯特爱因斯坦在其广义相对论中首次预测的; Reisswig说,未来的星载引力波天文台将有必要探测可以证实这些近期发现的引力波的类型Ott说这些研究结果将对宇宙学产生重要影响“发射的引力波信号及其潜在的探测将告知研究人员关于在非常年轻的宇宙中第一个超大质量黑洞的形成过程,并可能解决一些 - 并提出关于我们宇宙历史的新的重要问题,“他说这些发现发表在物理评论快报中10月11日的一篇文章题为“超大质量星塌陷中宇宙学超大质量黑洞二元体的形成和聚结”的研究报告中,加州理工学院的共同作者包括Ernazar Abdikamalov,Roland Haas,PhilippMösta另一位研究的合着者,Erik Schnetter,在加拿大的Perimeter理论物理研究所工作由国家科学部资助基金会,美国国家航空航天局,阿尔弗雷德P斯隆基金会和谢尔曼Fairchild基金会出版物:C Reisswig等,“超大质量星塌陷中宇宙学超大质量黑洞二元体的形成和聚结”,Phys Rev Lett 111,151101(2013 ); DOI:101103 / PhysRevLett111151101 PDF研究复制:超大质量星塌陷宇宙学超大质量黑洞二元体的形成与聚结资料来源:加州理工学院Jessica Stoller-Conrad图片来源:Christian Reisswig / Caltech