被前身星“踢开”？超级计算机模拟黑洞形成过程

科学家建模研究了在垂死恒星坍缩后，黑洞和中子星如何形成，并解释为什么有的黑洞会被“踢到”星际空间。

一幅描绘最初黑洞形成时期的插图。（图源：宇航局/加州理工学院喷气推进实验室）

天文学家已经研究清楚恒星末期如何把孕育中的黑洞踢出“子宫”，这个过程并不美妙。

最新研究发现，这些稀少的黑洞，在父系垂死恒星灾难性爆炸的时候，得到巨大的推力，这些新生的引力吞噬者以难以置信的速度发射出去。

这些发现为揭示黑洞生命诞生的神秘时刻带来曙光。

黑洞与超新星在巨大的垂死恒星核心诞生。当恒星末期自身质量达到太阳质量的八倍以上，恒星就会融化内部核心的铁。巨大的压力将铁核心转化为原生质中子星，大概一个城市大小的中子堆。中子堆暂时停止剩余星星部分的引力坍缩。反过来，这种停滞通常会触发超新星爆炸。但是有时候，爆炸核心位置的压力剧增，会把原生质中子星挤压成黑洞。

接下来会发生什么？谁也说不准。之前的超新星爆发电脑模型只能模拟这个过程不到一秒——刚好能捕捉到爆炸本身。对真实黑洞和中子星的观察显示出各异的物理特性。一些中子星以超过340万英里每小时速度移动（540万千米每时），表明这些中子星在爆炸过程中被“踢”得很重，而另一些中子星移动速度要慢30倍，表明这些中子星的诞生过程更加平和。

另一方面，尽管黑洞诞生的状况更加剧烈，但黑洞总有着更低的被踢速度。

一个天文学家小组通过运行20次超新星爆发的模拟运算，详细说明了黑洞与与中子星奇异的新生时期。这次模拟时长足够，揭示了每个黑洞或者中子星是如何被父系恒星“踢出去”的。这项研究发表在11月20日的预印本网站数据库中，已经提交给天文物理学期刊进行同行评议。

天文学家揭示了大爆炸之前父系恒星（称为前身星）的特征与产生中子星或者黑洞之间的紧密联系。当父系恒星质量不够大，密度不够紧凑时——也就是说外层相比内核来说更膨胀——超新星爆发非常迅速，接近完美的球型，产生移动速度较慢的中子星。

如果前身星质量非常大，密度非常大，超新星爆发需要花更长的时间，爆炸的时候不会太对称发生。在混乱中产生了移动速度很快像被踢了一脚的中子星。天文学家还发现中子星越大，被踢得越厉害，也就是说致密前身星的核心质量更多作用到了中子星上。

前身星也会导致中子星旋转，研究者发现推力越大旋转幅度越大。所以如果前身星不对称式爆发，不规则的爆炸不仅会把中子星推出去，还会使中子星旋转。这可以解释磁陀星的起源，磁陀星是一种高速旋转，磁场很强的中子星。两种形成机制解释了黑洞被推出来的原理：一种情况下前身星没有充分爆炸，但是核心的压力增加到一点上，黑洞形成。这些黑洞特别大，——平均几乎是太阳质量的10倍——几乎没有被推动的。大多数黑洞都可以归为这个类别。

但是黑洞也可以通过第二种方式形成。研究者发现，在一些情况下，前身星充分爆发，失去了大多数质量，只留下一个大约三个太阳质量大小的小一些的黑洞。有趣的是，这些黑洞获得了相当大的推动速度，远高于220万英里每时（360万千米每时）。这些快速移动的黑洞非常稀少。

这项研究在我们能观测到的（宇宙中运动的中子星和黑洞）与我们看不到的（即前身星爆发的过程本身）之间建立了重要的联系。通过研究中子星和黑洞的特征，天文学家得以深入描绘恒星生命周期的完整图景。

BY:Paul Sutter

FY: 小白

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