由熨斗研究所的天體物理學家及其合作者領導的大規模計算機模擬表明，磁場是黑洞形成背後缺失的因素，黑洞的質量落入曾經認為不可能的範圍。
2023年，天文學家目睹了一件非凡的事件：兩個距離約70億光年的巨大黑洞相撞。它們的巨大尺寸和快速旋轉無法解釋。根據現有理論，這樣的黑洞不應該存在。
來自熨斗研究所計算天體物理中心（CCA）和合作機構的研究人員揭示了這些宇宙巨星如何形成並最終碰撞。通過跟踪形成這些黑洞的恆星的生命週期，研究小組發現磁場在前幾代人中被忽視了。發揮著重要作用
“沒有人像我們一樣研究過這些系統。以前，天文學家走了捷徑，忽略了磁場，”CCA 的天體物理學家、這項研究的主要作者 Ore Gottlieb 解釋道。 天體物理學期刊通訊 “但是當你考慮磁場時，你可以解釋這一非凡事件的起源。”
2023年碰撞挑戰黑洞理論
這次宇宙碰撞，現在被稱為GW231123，是由天文台探測到的。 LIGO-Virgo-KAGRA 測量引力波，引力波是大規模天體運動引起的時空漣漪。
而被探測到的天文學家卻無法理解如此巨大、快速旋轉的黑洞是如何形成的。當一顆大質量恆星耗盡燃料時，它通常會坍縮並爆炸成超新星。留下一個小黑洞 然而，在幕後，特定質量範圍的恆星會經歷異常劇烈的爆炸，稱為雙不穩定超新星。這完全摧毀了恆星
“這些超新星的影響“我們預計黑洞不會形成約 70 到 140 個太陽質量的黑洞，”戈特利布說。“因此，在這個間隙內看到一個具有如此質量的黑洞會很奇怪。
模擬揭示了工作中隱藏的力量
一種可能的解釋是內部黑洞。這種“質量間隙”是通過較小黑洞的合併間接形成的，但就 GW231123 而言，這似乎不太可能。合併通常會造成混亂。通過乾擾由此產生的黑洞的旋轉。但GW231123涉及的兩個黑洞正在以接近光速旋轉。這是有史以來觀察到的最快的，這使得這種情況不太可能發生。
為了解開這個謎團，戈特利布和他的團隊進行了兩步模擬。首先，他們模擬了一顆質量是太陽 250 倍的大恒星的生命和死亡週期。就在那時，它作為超新星爆炸了。它燃燒的燃料足以縮小到大約 150 個太陽質量。這高於理論質量間隙。只剩下一個黑洞。
下一步是將磁場引入圖像中。該模型從超新星遺跡開始。它是一個由恆星碎片組成的漩渦雲，具有磁場，中心有一個新的黑洞。先前的理論假設所有剩餘的物質都會落入黑洞。但新的模擬描繪了一幅不同的畫面。
磁力如何改變坍縮恆星的命運。
如果坍縮的恆星不旋轉，周圍的物質將直接落入黑洞，但當恆星快速旋轉時，這些物質會在黑洞周圍形成一個圓盤。它會隨著時間的推移而進食並增加其旋轉。然而，磁場阻止了這一過程。它們的壓力可以以接近光速的速度將一些材料向外噴射。以防止跌倒
將物質推開會減少黑洞吸收的物質量。磁場越強，排出的質量就越多。在非常嚴重的情況下，這些流出物可能會損失原始恆星質量的一半。在團隊模擬中，這種機制會產生質量在“禁止”時期之一下降的黑洞。
“我們發現旋轉和磁場的存在可能從根本上改變恆星塌縮後的演化。因此，黑洞的質量可能明顯低於塌縮恆星的總質量，”戈特利布說。
連接黑洞質量和旋轉
結果表明黑洞的質量與其旋轉速度之間存在有趣的關係。更強的磁場可以減慢黑洞的旋轉並消除更多的恆星質量。這導致黑洞更小、速度更慢。相反，較弱的磁場會形成較重、旋轉速度較快的磁場。這種模式可以揭示連接質量和旋轉的更廣泛的定律。未來的觀察可能會證實這種關係。
迄今為止，還沒有其他已知的黑洞系統能夠測試這種連接。但天文學家希望即將進行的探測能夠揭示其他樣本，例如 GW231123。
從最黑暗的事件中爆發出的光芒。
模擬還預測，這些磁性過程在黑洞形成過程中會產生伽馬射線爆發。探測伽馬射線閃光可以幫助證實這一理論，並顯示這些大質量黑洞的普遍性。
如果得到證實，這些發現不僅將解釋碰撞不僅是“不可能的”，而且還將重塑科學家理解宇宙中最極端和令人難以置信的物體之一的方式。
