我們很難確定地預測巨型恆星碰撞時會發生什麼，但意大利帕多瓦大學的DEMOBLACK團隊首次進行的新的流體力學模擬指出了一系列奇特的結果。這些結果包括在“恆星托兒所”建立大質量黑洞，在那里大恆星緊緊地居住在一起。

天體物理學家Michela Mapelli在2022年APS四月會議的一次會議上描述了新的模擬和它的預測。混合學術會議在紐約市和網上舉行，除了Mapelli之外，DEMOBLACK項目人員還包括天體物理學家Alessandro Ballone和Guglielmo Costa。

Mapelli的模型為引力波天文學領域的一個緊迫問題提出了答案：兩個遙遠的黑洞是如何結合起來產生GW190521的？這是高級LIGO和Virgo在2019年探測到的一個強大引力波？GW190521的信號具有黑洞合併的特徵形式。在這種情況下，它是在兩個質量為85和66太陽質量的原生黑洞之間。它們的碰撞產生了一個質量超過太陽140倍的黑洞殘骸。引力波是由加速的質量引起的時空曲率的擾動或漣漪，以波的形式從源頭向外傳播。

但是，這次合併是一個令人撓頭的問題。它比恆星質量的黑洞要大，而恆星質量的黑洞是由恆星核心坍縮形成的，比超大質量的黑洞要小。它的質量使它處於一個”質量缺口”–物理學家們不確定黑洞是否能夠形成的範圍。

在LIGO-Virgo觀測結果公佈前一年，Mapelli和她的合作者首次預測，恆星碰撞可能導致黑洞在質量間隙中形成。然而，在他們了解更多關於GW190521的信息之前並沒有進行流體力學模擬。因此研究就在這個地方開始展開。

根據DEMOBLACK模擬，當大的恆星，比如那些在恆星托兒所中密密麻麻的恆星結合在一起時，可能會出現這樣一個龐然大物。以前的模擬已經模擬了低質量和中等質量恆星之間的碰撞，但是Mapelli的工作第一次描述了巨無霸砸在一起之後發生的情況。”她說：”沒有人對如此巨大的恆星的碰撞進行過模擬。

在APS會議上，Mapelli描述了可能作為年輕星團中大質量雙星黑洞形成基礎的動力學過程。模擬開始於兩顆恆星，其中一顆處於主序階段，也就是物理上未進化的恆星，質量大約是太陽的40倍，它大部分是新鮮的氫氣。另一顆恆星比較老，大約有60個太陽質量，並且有一個緊湊的氦核心。這意味著半徑非常大，質量很大，核心和外部的密度對比很大。在某些假設下，這些恆星可能坍縮成一個超過50個太陽質量的黑洞。而這些黑洞又可能形成雙星並最終合併。這些類型的恆星交換和碰撞可以建立起質量超過40個太陽的雙體黑洞。反复的碰撞和合併可以產生質量高得多的黑洞，大約是太陽質量的100到10000倍。

自從2020年《物理評論快報》報導了對GW190521的觀測以來，理論家們一直在尋求對其背後的動態過程做出嚴格的解釋。一個相互競爭的觀點認為，雙星包括原始黑洞，這意味著它們不是來自於恆星核心的坍塌，而是來自於早期宇宙的遺留。另一個觀點得到了觀察的支持，即合併可能產生了一個電磁耀斑，表明碰撞發生在一個超大質量黑洞周圍的密集氣體盤內。

Mapelli說，她的工作並沒有排除這些其他的解釋。”我們不確定這種碰撞是對190521這樣的事件的唯一可能的解釋，”她說。”這個模擬並沒有拒絕其他的可能，但我們最需要考慮其中的三個”。