恆星質量黑洞是由恆星坍縮而產生的天體，其質量是太陽的幾倍到數百倍。 它們的引力場非常強烈，物質和輻射都無法逃避它們，這使得它們的探測變得極其困難。
因此，當2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）探測到兩個黑洞合併產生的微小時空漣漪時，被譽為一個分水嶺時刻。
據天體物理學家稱，信號源頭處的兩個合併黑洞質量約為太陽的30倍，距離1.5億光年。
LIGO 探測器光束管 – 說明性照片。 圖片來源：Jeff Keyzer 來自 Flickr的, 抄送 BY-SA 2.0
連接理論和觀察
什麼機制產生這些黑洞？ 它們是否是兩顆恆星演化的產物，類似於我們的太陽，但質量明顯更大，在雙星系統中演化？ 或者它們是由人口稠密的星團中的黑洞偶然相遇而產生的？ 或者可能涉及更奇特的機制？ 所有這些問題至今仍在激烈爭論。
POSYDON 合作團隊由來自西北大學、日內瓦大學 (UNIGE) 和佛羅里達大學 (UF) 等機構的科學家組成，在模擬雙星群方面取得了重大進展。 這項工作有助於提供更準確的答案，並使理論預測與觀測數據相一致。
“由於不可能直接觀察合併雙黑洞的形成，因此有必要依靠模擬來重現其觀測特性，”UNGE 理學院天文學系博士後研究員、該項目的負責人西蒙娜·巴維拉 (Simone Bavera) 說。該研究的作者。
“我們通過模擬雙星系統從誕生到雙黑洞系統的形成來做到這一點。”
藝術家的構想展示了兩個合併的黑洞，類似於 LIGO 檢測到的黑洞。 圖片來源：Aurore Simonnet/LIGO-加州理工學院-麻省理工學院-索諾瑪州立大學
突破模擬的極限
要解釋合併雙黑洞（例如 2015 年觀測到的黑洞）的起源，需要將理論模型預測與實際觀測結果進行比較。 用於對這些系統進行建模的技術稱為“二元群體合成”。
UNIGE理學院天文學系助理教授阿納斯塔西奧斯·弗拉科斯（Anastasios Fragkos）表示：“這項技術模擬了數千萬個雙星系統的演化，以估計由此產生的引力波源群的統計特性。”
“然而，為了在合理的時間範圍內實現這一目標，研究人員到目前為止一直依賴於使用近似方法來模擬恆星演化及其雙星相互作用的模型，”他說。 “因此，單星和雙星物理學的過度簡化導致預測不太準確。”
POSYDON 克服了這些限制。 它被設計為開源軟件，利用預先計算的大型詳細單星和雙星模擬庫來預測孤立雙星系統的演化。
每個詳細的模擬可能需要在超級計算機上運行多達 100 個中央處理單元 (CPU) 小時，因此該模擬技術不能直接適用於二進制總體合成。
“然而，通過預先計算覆蓋初始條件整個參數空間的模擬庫，POSYDON 可以利用這個廣泛的數據集以及機器學習方法，在不到一秒的時間內預測二元系統的完整演化，”助理 Jeffrey Andrews 說佛羅里達大學物理系教授。
“這個速度與上一代快速群體合成代碼相當，但準確性更高。”
推出新型號
波塞冬，一個主要的代碼開發項目，代表 PO計算 SY論文與 D詳細的二元進化模擬ONs。 Kalogera 和 Tassos Fragos（前博士） Kalogera 小組的學生是該項目的聯合首席研究員，該項目於 2019 年在西北大學啟動，得到了戈登和貝蒂摩爾基金會以及瑞士國家科學基金會的支持。
弗拉戈斯現供職於日內瓦大學，是該研究的合著者。 佛羅里達大學今年加入了合作。
以前的模型高估了某些方面，例如大質量恆星的膨脹，這會影響它們的質量損失和雙星相互作用。 這些元素是決定合併黑洞特性的關鍵成分。
得益於完全自洽的詳細恆星結構和雙星相互作用模擬，POSYDON 能夠更準確地預測合併雙星黑洞的屬性，例如質量和自旋。
研究團隊目前正在開發新版本的 POSYDON，其中將包括一個更大的詳細恆星和雙星模擬庫，能夠模擬更廣泛的星系類型中的雙星。
資源： 西北大學
