创新背景

黑洞是一种强大的天体，它们的引力如此之大，以至于连光都无法从其吸引范围中逃脱，尽管黑洞自身令人着迷，但2015年由于两个黑洞的合并引起的引力波的检测更是为宇宙研究开启了一个新的窗口，此后，科学家们观测到了数十个类似的现象，这些观测进一步刺激了天体物理学家探讨引力波的天体起源。

特别是恒星质量的黑洞是此研究的一个关键部分，这些天体诞生于质量与我们太阳相近或几百倍的恒星的坍缩之中，由于这些黑洞的引力场非常强烈，所以既不允许物质也不允许辐射逃离，这使得它们极难被探测到，因此，当2015年由于两个黑洞的合并而产生的时空涟漪被LIGO所检测到时，这一事件被认为是一个标志性的时刻，据天体物理学家称，这两个合并的黑洞的质量约为太阳的30倍，并且位于距离我们15亿光年的地方。

此外，关于产生这些黑洞的机制仍然是一个热点问题，尽管有多种理论和观点，但目前还没有确切的答案，例如，它们是否是由两颗类似于太阳但质量更大的恒星在一个双星系统中的进化而产生的？或者它们是否是由于在密集的星团中的黑洞意外相撞而形成的？

创新过程

这项研究的核心在于使用先进的模拟工具预测银河系这样的星系中存在的并合的大质量黑洞双星，为此，研究团队利用了POSYDON代码的最新主要进展，模拟双星种群以提供关于这样的并合黑洞的形成机制的新见解。

POSYDON是一个新开发的开源软件，它被用来研究并合的二进制黑洞，与之前的模型不同，POSYDON预测了银河系这样的星系中可能存在的并合黑洞，特别是质量高达30倍太阳质量的那些，这一预测挑战了先前的理论，这些理论预测在与银河系相似的星系中并合的二进制黑洞的形成率可以忽略不计。

为了解释这种可能性，研究团队使用了称为“二进制种群合成”的技术，这种技术模拟了数千万的双星系统的进化，以估计结果的引力波源种群的统计特性，但要在合理的时间框架内实现这一点，研究人员直到现在仍然依赖使用近似方法模拟星星和它们的双星互动的模型，这种方法的简化可能导致预测的不准确性。

POSYDON软件克服了这些限制，它利用了一个预先计算的、涉及详细的单星和双星模拟的大型库，来预测孤立的双星系统的进化，每一个这样的详细模拟可能需要在超级计算机上运行高达100个CPU小时。但是，通过预先计算一个涵盖所有初始条件参数空间的模拟库，POSYDON可以利用这个广泛的数据集和机器学习方法在不到一秒钟内预测双星系统的完整进化，这种速度与以前的快速种群合成代码相当，但准确性更高。

创新价值

提高人类对宇宙的理解：黑洞是宇宙中最神秘和最引人入胜的实体之一，通过模拟预测银河系中的并合大质量黑洞，这项研究为我们提供了关于宇宙如何工作以及我们在其中的地位的新见解。

引力波的探索：2015年引力波的首次探测开启了探索宇宙的新窗口，自那时起，已经有数十次这样的观测，这项研究通过预测并合黑洞的存在进一步增强了我们对引力波来源的理解，从而为未来的引力波探测提供了指导。

科技进步：使用如POSYDON这样的先进软件和模拟工具可以推进科技的边界，为其他科研领域的问题解决提供新的方法和工具。

跨学科研究：此研究涉及天文学、物理学、计算机科学和数据科学等多个领域的融合，这种跨学科的研究方式鼓励了学科间的合作和交流，从而推动了多个领域的进步。

教育和启发：这样的研究成果对公众和学生都有着吸引力，可以激发他们对科学的兴趣，特别是对天文学和宇宙学的热情，这可以鼓励更多的年轻人选择科学职业，并对社会的科学教育产生积极影响。

开放源代码的贡献：通过开源POSYDON软件，研究团队为全球科研社区提供了一个宝贵的资源，这可以促进其他团队进行类似的研究，加速科学进步，并为更广泛的应用提供工具。

创新关键点

研究团队利用POSYDON代码的最新进展来模拟双星种群，揭示了像银河系这样的星系中并合黑洞的形成机制，他们使用新发布的开源POSYDON软件首次研究了并合的双黑洞；此外，研究团队还对双星种群进行了模拟，探索了这些黑洞的形成机制，比如它们是由两个巨大的恒星演化而来，还是由于在密集的恒星团中的黑洞偶然相撞而产生，或者有其他更加奇特的机制，通过利用POSYDON，研究团队成功地模拟了数以百万计的双星系统的演化，以估计由此产生的引力波源的统计性质。