位于球狀星團中的恒星質(zhì)量黑洞 - 通常位于星系邊緣的小空間區(qū)域，其中包含數(shù)十萬到數(shù)百萬顆恒星 - 可以反復組合形成比單個恒星產(chǎn)生的任何物體都大的物體。

當由大質(zhì)量恒星殘余產(chǎn)生的兩個黑洞開始相互繞軌道時，形成恒星二元黑洞。最終，黑洞在碰撞中融合，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，它應該以引力波的形式釋放出大量的能量。

現(xiàn)在，麻省理工學院的天體物理學家Carl Rodriguez和他的合著者認為，黑洞可能會多次合作并合并，產(chǎn)生的黑洞比單星形成的黑洞更大。這些“第二代合并”應該來自球狀星團。

羅德里格斯博士說：“我們認為這些星團形成了數(shù)百到數(shù)千個黑洞，這些黑洞在中心迅速下沉。”

“這些類型的星團基本上都是黑洞雙星的工廠，在那里你有很多黑洞懸掛在一個小空間區(qū)域，兩個黑洞可以融合在一起，形成一個更大的黑洞。那個新的黑洞可以找到另一個伙伴并再次合并。“

在這項研究中，羅德里格斯博士及其同事使用西北大學的超級計算機Quest來模擬24個恒星星團內(nèi)復雜的動態(tài)相互作用，其大小從20萬到2百萬不等，并覆蓋了一系列不同的密度和金屬成分。

這些模擬模擬了這些星團內(nèi)個別恒星在超過120億年后的演變，與其他恒星的相互作用以及最終黑洞的形成和演化。模擬還可以模擬黑洞形成后的軌跡。

“整潔的事情是，因為黑洞是這些星團中最大的物體，它們會沉到中心，在那里你會得到足夠高的黑洞密度，形成二進制，”羅德里格茲博士說。

“二進制黑洞基本上就像在群集中懸掛的巨型目標，當你向它們拋出其他黑洞或星星時，它們會經(jīng)歷這些瘋狂的混亂遭遇。”

在運行他們的模擬時，研究人員添加了一個關鍵成分，這在以前模擬球狀星團的努力中是缺失的。

羅德里格斯博士指出：“過去人們所做的就是將其視為純粹的牛頓問題。”

“牛頓的引力理論在99.9%的情況下起作用。它不起作用的少數(shù)情況可能是當你有兩個非常緊密地相互嗖嗖的黑洞時，這通常不會發(fā)生在大多數(shù)星系中。“

牛頓的相對論假設，如果黑洞一開始就沒有約束，那么它們都不會影響另一個，它們只會相互通過，不變。

這種推理源于牛頓未能認識到引力波的存在這一事實 - 愛因斯坦后來預測這種引力波會產(chǎn)生大質(zhì)量的軌道物體，例如近距離的兩個黑洞。

羅德里格斯博士說：“在愛因斯坦的廣義相對論中，我可以發(fā)射引力波，然后當一個黑洞靠近另一個黑洞時，它實際上可以發(fā)出一個小的引力波脈沖。”

“這可以從系統(tǒng)中減去足夠的能量，使兩個黑洞實際上被束縛，然后它們將迅速融合。”

研究作者決定將愛因斯坦的相對論效應加入他們的球狀星團模擬中。

在進行模擬后，他們觀察到黑洞相互合并，在恒星星團內(nèi)部創(chuàng)造了新的黑洞。

沒有相對論效應，牛頓引力預測大多數(shù)二進制黑洞會在合并之前被其他黑洞踢出集群。但是通過考慮相對論效應，該團隊發(fā)現(xiàn)近一半的二進制黑洞在其恒星星團內(nèi)合并，產(chǎn)生了新一代黑洞，這些黑洞比星星形成的黑洞更大。群集內(nèi)部的那些新黑洞會發(fā)生什么變化。

“如果兩個黑洞合并時它們正在旋轉，那么它們產(chǎn)生的黑洞會在一個優(yōu)先方向上發(fā)射引力波，就像火箭一樣，形成一個新的黑洞，可以以每秒5000公里的速度射出 - 所以，瘋狂得快，“羅德里格斯博士說。

“它只需要幾十到一百公里/秒的速度就可以逃脫其中一個星團。”

由于這種影響，科學家們已經(jīng)在很大程度上認為任何黑洞合并的產(chǎn)物都會被趕出集群，因為人們認為大多數(shù)黑洞正在快速旋轉。

然而，這個假設似乎與LIGO的雙探測器的測量結果相矛盾，LIGO的雙探測器到目前為止僅探測到具有低自旋的二元黑洞。

為了測試這一點的影響，研究人員在他們的模擬中調(diào)低了黑洞的旋轉，并發(fā)現(xiàn)在這種情況下，來自星團的近20%的二元黑洞至少有一個黑洞，這是在之前的合并中形成的。

因為它們是由其他黑洞形成的，所以這些第二代黑洞中的一些可以在50到130太陽質(zhì)量的范圍內(nèi)?？茖W家認為，這種質(zhì)量的黑洞不可能來自一顆恒星。

“如果像LIGO這樣的引力波望遠鏡探測到質(zhì)量在這個范圍內(nèi)的物體，它很有可能不是來自一顆坍縮的恒星，而是來自一個密集的恒星星團，”Rodriguez博士說。