没有更多数据黑洞的起源可以向任何方向旋转

黑洞起源的线索可以从它的旋转方式中找到。对于双星系统尤其如此，其中两个黑洞在合并前靠得很近。各个黑洞在合并前的自转和倾斜可以揭示这些看不见的巨人是来自安静的银盘还是更活跃的星团。

天文学家希望通过分析迄今为止检测到的69个已确认的双星来梳理出这些起源故事中哪些更有可能。但是一项新的研究发现，目前的双星目录还不足以揭示黑洞形成的任何基本原理。

在今天发表在天文学和天体物理学杂志上的一项研究中，麻省理工学院的物理学家表明，当所有已知的双星及其自旋都被用于黑洞形成模型时，结论可能看起来非常不同，具体取决于用于解释数据的特定模型.

因此，黑洞的起源可以以不同的方式“旋转”，这取决于模型对宇宙运作方式的假设。

“当你改变模型并使其更加灵活或做出不同的假设时，你会得到关于宇宙中黑洞如何形成的不同答案，”该研究的合著者、在LIGO实验室工作的麻省理工学院研究生SylviaBiscoveanu说。“我们表明人们需要小心，因为我们还没有达到我们可以相信模型告诉我们的数据的阶段。”

该研究的合著者包括麻省理工学院博士后ColmTalbot;和SalvatoreVitale，物理学副教授，麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所成员。

两个起源的故事

双星系统中的黑洞被认为是通过两条路径之一产生的。第一种是通过“场双星演化”，其中两颗恒星一起演化并最终爆炸成超新星，留下两个继续在双星系统中盘旋的黑洞。在这种情况下，黑洞应该有相对对齐的自旋，因为它们本来有时间——首先是恒星，然后是黑洞——相互拉扯到相似的方向。如果双星的黑洞具有大致相同的自旋，科学家们相信它们一定是在一个相对安静的环境中进化而来的，比如银盘。

黑洞双星也可以通过“动态组装”形成，其中两个黑洞分别演化，每个黑洞都有自己独特的倾斜和自旋。通过一些极端的天体物理过程，黑洞最终聚集在一起，足够接近以形成双星系统。这种动力配对可能不会发生在安静的银盘中，而是发生在更密集的环境中，例如球状星团，其中数千颗恒星的相互作用可以将两个黑洞撞在一起。如果双星的黑洞具有随机方向的自旋，它们很可能形成于球状星团中。

但是，通过一个渠道与另一个渠道形成的二进制文件的比例是多少?天文学家认为，答案应该在于数据，尤其是黑洞自旋的测量。

迄今为止，天文学家已经推导出69个双星系统中黑洞的自旋，这些双星系统是由引力波探测器网络发现的，包括美国的LIGO和意大利的Virgo。每个探测器都在侦听引力波的迹象——从极端的天体物理事件(例如大质量黑洞合并)中遗留下来的非常微妙的时空回响。

对于每一次双星探测，天文学家都估计了各自黑洞的特性，包括它们的质量和自旋。他们已经将自旋测量结果应用到一个普遍接受的黑洞形成模型中，并发现了双星可能同时具有首选的对齐自旋和随机自旋的迹象。也就是说，宇宙可以在银盘和球状星团中产生双星。

“但我们想知道，我们是否有足够的数据来做出这种区分?”比斯科维亚努说。“事实证明，事情是混乱和不确定的，而且比看起来更难。”

旋转数据

在他们的新研究中，麻省理工学院的团队测试了当将相同的数据应用于略有不同的黑洞形成理论模型时，是否会得出相同的结论。

该团队首先在广泛使用的黑洞形成模型中重现了LIGO的自旋测量值。该模型假设宇宙中的一小部分双星倾向于产生具有对齐自旋的黑洞，而其余双星具有随机自旋。他们发现数据似乎与该模型的假设一致，并显示了一个峰值，该模型预测应该有更多具有相似自旋的黑洞。

然后他们稍微调整了模型，改变了它的假设，使得它预测了一个稍微不同的首选黑洞自旋方向。当他们将相同的数据用于这个经过调整的模型时，他们发现数据发生了变化以符合新的预测。数据也在其他10个模型中产生了类似的变化，每个模型都对黑洞更喜欢自旋的方式做出了不同的假设。

“我们的论文表明，你的结果完全取决于你如何模拟天体物理学，而不是数据本身，”Biscoveanu说。

“如果我们想提出一个独立于我们所做的天体物理学假设的声明，我们需要比我们想象的更多的数据，”Vitale补充道。

天文学家还需要多少数据?Vitale估计，一旦LIGO网络在2023年初重新启动，这些仪器每隔几天就会探测到一个新的黑洞双星。在接下来的一年里，这可能会增加数百个测量值以添加到数据中。

“我们现在对自旋的测量非常不确定，”Vitale说。“但是当我们建立很多这样的模型时，我们可以获得更好的信息。然后我们可以说，无论我的模型的细节如何，数据总是告诉我同样的故事——一个我们可以相信的故事。”