作為宇宙中最神秘的天體,黑洞的第三種類型終於被發現了?

2020-12-22 騰訊網

黑洞，是宇宙中最神秘的天體。天體物理學家Avi Leob曾形象的描述到：「黑洞是終極的監獄：一旦進入，就永遠無法出去。」

正如夜空中的繁星有著不同大小、顏色和溫度，黑洞也可以根據它們的大小和質量分為四類：

過去，天文學家已經觀測到了恆星級黑洞和超大質量黑洞，但中等質量黑洞和原初黑洞仍然停留在理論階段。但在一項最新的研究中，科學家終於發現了追尋已久的中等質量黑洞。

2015年9月14日，註定是一個被載入史冊的重要日子。那天，雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到了由雙黑洞併合產生的引力波！這一發現不僅驗證了愛因斯坦百年前的預言，也打開了探索宇宙的全新窗口。

引力波天文臺未來的探索方向。

自那之後，天文學家確認已捕捉到的黑洞併合事件已達10次之多，這些不同的事件在清晰地向我們展示了，不同的黑洞可以擁有各不相同的自旋，並且它們的質量範圍也跨度巨大：

素材來源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)）

現在，LIGO合作組和室女座引力波探測器（VIRGO）合作組探測到了迄今為止最大的黑洞併合：一個質量為66倍太陽質量的黑洞，與一個質量為85倍太陽質量的黑洞併合形成了一個質量為142倍太陽質量的黑洞（併合前的雙黑洞質量之和不等於最終的黑洞質量，這是因為併合過程會釋放巨大的能量，並以引力波的形式擴散到宇宙中去）。

素材來源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)）

這次事件有兩個特殊之處能使之成為黑洞探測史上濃墨重彩的一筆。首先，按照黑洞的常規形成機制來看，併合前較大的那顆黑洞（85倍太陽質量）應該無法形成才對；其次，一直以來，質量範圍在100倍太陽質量到數萬倍太陽質量之間的中等質量黑洞只存在於理論中，而這次探測到的142倍太陽質量的黑洞，是首次直接觀測到的中等質量黑洞。

根據愛因斯坦的廣義相對論的核心方程的預測，黑洞可以有任何質量。在宇宙中，大質量恆星的坍縮是形成黑洞的一個關鍵途徑，但這種過程也會對黑洞的質量產生一些限制。

當一個質量非常大的恆星耗盡燃料時，其核心便會開始在引力的作用下坍縮，形成一個恆星級的黑洞。傳統的理論認為，恆星坍縮時是不會產生質量在65到135個太陽質量之間的黑洞的，這個質量「禁區」被稱為對不穩定性質量間隙（pair instability mass gap）。

對於一顆熾熱的恆星來說，其核心產生的伽馬射線會對恆星外層施加「光子壓」，從而抵抗向內的引力，使恆星處於平衡狀態。然而，當恆星核心的質量大於65個太陽質量時，高能的伽馬射線會有效的轉換為電子-正電子對，這種現象就被稱為對不穩定性。這些粒子對產生的壓力要弱於光子，從而使引力佔據上風。如此一來，恆星的外層就會向內坍縮，核燃燒開始以一種失控的方式加速。其結果就是恆星在爆炸後沒有留下任何黑洞遺蹟。所以理論上，天文學家預計並不會在65到135個太陽質量範圍之間發現任何黑洞。

然而，在2019年5月21日，LIGO和VIRGO探測到的引力波事件卻帶來了兩項突破性的發現：不僅在對不穩定性間隙發現了黑洞，還證明了中等質量黑洞的存在。這兩個發現對理解黑洞的形成有著重要的意義。

有兩種可能的情況可以解釋導致這次探測到的黑洞雙星。

第一種情況是，雙星系統中的黑洞是由兩顆恆星坍縮而產生的，這就意味著質量為85倍太陽質量的黑洞，是直接由一顆處於「禁區」中的恆星形成的。如果是這樣的話，這一結果可以通過修正已有的恆星核心核反應模型來加以解釋。近來有研究表明，這個「禁區」的下限與碳-12向氧-16轉化的這種核反應速率息息相關。當速率小於現有模型所假設的速率時，這一質量區間就會向更大的質量偏移，從而可以覆蓋這次探測到的測量結果。

第二種情況是，質量最大的黑洞是一個「黑洞二代」，它由兩個較小的黑洞併合而成。因此，黑洞雙星不是由恆星雙星產生的，而是由能將兩個黑洞聚集在一起的動態引力相互作用而產生的。

這二者可以通過併合黑洞的自旋來加以區分：在雙星情況下，它們應該會大致對齊；而在動態相互作用的情況下，它們的方向是隨機的。從目前的分析結果來看，GW190521的併合黑洞的自旋很可能不是對齊的，因此這個結果稍微更偏向於第二種情況。但決定性證據尚未出現。

未來，LIGO和VIRGO還將繼續探測到越來越多的黑洞併合事件，其中也或將包含更多這類較重的併合事件。能夠獲取更多有關於中等質量黑洞的數據對黑洞研究意義重大。特別是，天文學家或許可以藉此更好地理解超大質量黑洞的形成與演化。儘管天文學家已經拍攝到星系M87中央的超大質量黑洞，也對銀河系中心的超大質量黑洞進行了詳盡的研究，但超大質量黑洞的形成機制依舊是個謎題。然而，有理論認為，超大質量黑洞或許是由中等質量黑洞組成的。隨著越來越多的黑洞被發現，天文學家也越來越接近一些謎題的真相。

參考來源：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.101102

https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.111

圖片設計：素雯雯幾吖

封面圖來源：DEBORAH FERGUSON, KARAN JANI, DEIRDRE SHOEMAKER, PABLO LAGUNA, GEORGIA TECH, MAYA COLLABORATION

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