科學家們透過研究引力波，認為他們可能已經揭示了宇宙如何形成其最大的黑洞。這些巨大的天體似乎並非直接由塌縮的恆星形成，而是在極度擁擠的星團內部，透過反覆的黑洞碰撞而成長。
這項由卡迪夫大學領導的新研究，檢視了 LIGO-Virgo-KAGRA 的引力波瞬態目錄（GWTC4）的 4.0 版本，該目錄包含 153 個可靠的黑洞合併偵測。
研究人員著重於目錄中最大的黑洞是否為「第二代」天體。在此情境下，由垂死恆星形成的黑洞會相互碰撞，然後在恆星密度極高（比太陽周圍緊密高達一百萬倍）的環境中再次合併。
這項發表在《自然天文學》上的研究結果表明，透過引力波偵測到的質量最大的黑洞，屬於一個獨立的類別，其歷史與質量較小的黑洞截然不同。
引力波揭示兩類黑洞
卡迪夫大學物理與天文學院的首席作者 Fabio Antonini 博士解釋說：「引力波天文學現在不僅僅是計算黑洞合併事件。」
「它開始揭示黑洞是如何成長、在哪裡成長，以及這對我們了解大質量恆星的生與死有何啟示。這令人興奮，因為我們可以利用這些資訊來檢驗我們對宇宙中恆星和星團演化的理解。」
透過分析引力波訊號，該團隊識別出兩組不同的群體：
研究人員表示，質量較重黑洞的自旋行為尤其具有啟發性。
卡迪夫大學 Ernest Rutherford 研究員、共同作者 Isobel Romero-Shaw 博士回憶道：「最讓我們驚訝的是，高質量黑洞作為一個獨立族群的區分度如此之高。」
「與我們分析的、通常自旋緩慢的低質量系統不同，高質量系統的自旋速度更快，且方向看似隨機。這正是你預期黑洞在密集星團中反覆合併時會出現的特徵。」
「這使得星團起源的說法比早期目錄中的情況更具說服力。」
黑洞「質量間隙」的證據
這項研究也加強了數十年前天體物理學家預測的一個神秘「質量間隙」的證據。根據該理論，超過一定大小的恆星應該會劇烈爆炸，完全被摧毀，而不是塌縮成黑洞。
這將創造一個禁區，理論上不應存在由恆星直接形成的黑洞。
研究人員在質量約為太陽 45 倍的黑洞附近識別出這種轉變。
Antonini 博士說：「在我們的研究中，我們發現了長期預測的雙અસ્થિરતા質量間隙的證據——一個質量範圍，預計恆星不會留下任何黑洞。引力波探測器已成功發現了似乎位於該間隙或附近區域的黑洞，我們將其識別在約 45 個太陽質量左右。」
「因此，現在的關鍵問題是，這些黑洞是在告訴我們恆星演化的模型是錯誤的，還是它們是以另一種方式形成的？」
「目前樣本中最大的黑洞似乎在告訴我們星團動力學，而不僅僅是恆星演化。」
「在約 45 個太陽質量以上，自旋分佈的變化方式很難僅用正常的恆星雙星來解釋，但如果這些黑洞已經在密集星團中經歷了早期的合併，則可以自然地解釋。」
黑洞可能幫助科學家研究核物理
研究人員表示，這些發現最終可能幫助科學家研究大質量恆星內部的過程。
該團隊利用質量間隙附近的轉變，研究了與恆星核心氦燃燒相關的重要核反應。
共同作者、卡迪夫大學研究員 Fani Dosopoulou 博士補充說：「未來，引力波數據可能幫助科學家研究核物理，因為雙અસ્થિરતા設定的質量極限取決於大質量恆星核心中發生的核反應。」
