黑洞库存的增加为宇宙提供了根本的探源

2015年发现第一场黑洞碰撞时，这是天文学史上的一个分水岭。在引力波的作用下，天文学家正在以一种全新的方式观察宇宙。但是这第一件事并没有改变我们对黑洞的理解，也没有。天文学家知道，这次碰撞将是许多碰撞中的第一个，只有得到如此丰富的奖励，答案才会出现。

西北大学的天体物理学家Vicky Kalogera说：“第一个发现是我们生活的快感。”他是2015年被发现的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）合作的一部分。 “但您不能只用一种方法来做天体物理学。”

现在，像Kalogera这样的引力波物理学家说，由于观测到的黑洞数量迅速增加，他们正在进入黑洞天文学的新时代。

这些所谓的黑洞二进制合并的最新目录（两个黑洞相互向内螺旋形碰撞的结果）使可供研究的黑洞合并数据增加了三倍。目前，有近50项对天体物理学家的合并进行审查，预计在未来几个月内还会有数十种合并，在未来几年内还会有数百种合并。

“黑洞天体物理学正因引力波而发生革命，因为数量如此之大。这些数字使我们能够提出质上不同的问题，” Kalogera说。 “我们打开了一个宝库。”

基于这些数据，新的统计驱动研究开始揭示这些神秘物体的秘密：黑洞如何形成以及它们为什么合并。不断增长的黑洞数量也可能提供一种探索宇宙演化的新颖方法-从大爆炸到第一批恒星的诞生以及星系的增长。

美国西北航空天体物理学家玛雅·菲什巴赫（Maya Fishbach）表示：“我绝对没想到我们会在第一次发现后这么快就开始研究这些问题。” “领域爆炸了。”

在将黑洞用于研究整个宇宙之前，天体物理学家必须首先弄清楚它们是如何制造的。到目前为止，有两种理论主导了这场辩论。

一些天文学家认为，大多数黑洞起源于拥挤的恒星簇中，这些恒星的密度有时比我们自己的银河后院高一百万倍。每当一颗巨大的恒星爆炸时，它就会在黑洞后面留下一个黑洞，该黑洞沉入恒星团的中间。星团的中心变得很浓密，上面有黑洞，这些黑洞在重力的作用下纠缠在一起，成为命运的宇宙之舞。天文学家称这种“动态”黑洞形成。

其他人则认为，黑洞双星最初是在相对荒凉的星系区域中以成对的恒星开始的。在漫长而混乱的生活在一起之后，它们也爆炸了，形成了一对“孤立的”黑洞，这些黑洞继续相互围绕。

芝加哥大学的天体物理学家丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）说：“人们一直认为这是动力学模型与孤立模型之间的斗争。”

许多理论家倾向于只使用一个黑洞二元形成通道的趋势部分源于处理极少数据的实用性。霍尔兹说：“每个事件都经过精心分析，痴迷和大惊小怪。” “我们将进行检测，人们将尝试从一个或两个黑洞的样本大小中提取非常广泛的陈述。”

的确，天体物理学家利用这种首次发现为相反的结论辩护。 LIGO非常快地发现了它的第一次黑洞合并，实际上是在正式开始观测之前，这表明黑洞二元系统在宇宙中非常普遍。由于孤立的黑洞可以在广泛的天体环境中形成，因此支持孤立的黑洞的理论预测，我们会看到很多合并。

其他人则指出，第一次合并具有异常大的黑洞，这些巨人的存在支持了动力学理论。他们认为，这么大的黑洞只能在早期的宇宙中造出来，那时还认为恒星团已经形成。

卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的天体物理学家卡尔·罗德里格斯（Carl Rodriguez）说，以一个样本量为一个样本，这种说法只能是“有根据的猜测”。

现在，LIGO最新目录中的数据表明，黑洞二进制文件的普遍性远低于预期。实际上，根据Rodriguez及其合作者上个月末在科学预印本网站arxiv.org上发表的一篇论文，星团可以“完全解释”现在观测到的黑洞合并的速度。 （本文的结论更具衡量意义，并表明动态过程和孤立过程都很重要。）

此外，新的合并还为解决黑洞从何而来的难题提供了新的思路。尽管具有难以捉摸的性质，但黑洞非常简单。除质量和电荷外，黑洞唯一具有的特征是自旋-衡量其旋转速度的方法。如果一对黑洞和它们形成的恒星一起生活，那么不断的推拉将使它们的自转对齐。但是，如果在生活的晚些时候碰到两个黑洞，它们的旋转将是随机的。

在测量了LIGO数据集中黑洞的自旋后，天文学家现在提出，动态和孤立的情况几乎相同。天体物理学家迈克尔·策文（Michael Zevin）及其合作者在最近的预印本中写道，没有“一个统辖所有规则的渠道”，概述了一系列不同的途径，这些途径可以共同解释这一不断增长的黑洞双星种群。

Zevin说：“最简单的答案并不总是正确的答案。” “这是一个更加复杂的环境，当然，这是一个更大的挑战。但我认为这也是一个更有趣的问题。”

随着时间的流逝，LIGO及其姊妹观测站处女座也变得越来越敏感，这意味着他们现在可以看到相撞的黑洞，这些黑洞距离地球更远，并且可以追溯到更远的时间。菲什巴赫说：“我们正在听宇宙中很大一部分，直到宇宙比今天年轻得多的时候。”

在最近的预印本中，菲什巴赫和她的合作者发现了在宇宙历史上不同点观察到的黑洞类型差异的迹象。特别是，较重的黑洞在宇宙历史的早期似乎更为普遍。

对于许多天体物理学家来说，这不足为奇。他们期望在宇宙中形成的第一批恒星具有巨大的氢和氦气云，这将使它们比后来的恒星大得多，并最终导致它们崩溃。这些恒星产生的黑洞也应该很大。

但是，预测早期宇宙发生的事情是一回事，而要观察它则是另一回事。 “您真的可以开始使用[黑洞]作为宇宙在宇宙时间内如何形成恒星以及形成这些恒星和恒星团的星系如何聚集的示踪剂。这开始变得很酷，”罗德里格斯说。

这项研究是使用黑洞的大型数据集作为探索宇宙的根本工具的第一步。天文学家创建了一个关于宇宙如何演化的惊人准确的模型，称为Lambda-CDM。但是没有模型是完美的。麻省理工学院天体物理学家萨尔瓦托·维塔莱（Salvatore Vitale）说，引力波提供了一种完全独立于宇宙学史上其他所有方法的宇宙测量方法。 “如果获得相同的结果，晚上您会睡得更好。如果您不这样做，则表明存在潜在的误解。”

现在，理论家正在建立模型，其中包括多个黑洞形成场景，并且每个模型在整个宇宙历史中的演化方式都毫发无损。引力波物理学家希望在未来的几个月和几年中，他们能够自信地回答这些问题。

“我们只是在摸摸表面，” Kalogera说。 “样本数量仍然太小，无法为我们提供可靠的答案，但是当我们有100或200个[合并]时，我认为我们会有明确的答案。