前所未見的新黑洞!引力波天文學又創奇蹟

2020-11-24 騰訊網

2019年5月21日，雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）同時探測到一個令人震驚的引力波信號，它不僅是迄今為止規模最大的引力波，也刷新了引力波最遠距離的記錄。更重要的是，該信號向我們透露了一類前所未見的黑洞！

雙黑洞併合藝術畫（來源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)）

編號為GW190521的引力波事件由位於美國的升級版LIGO和位於義大利的升級版Virgo共三個臺站同時測得，信噪比達到14.7，換算成誤警率（出錯概率）的話為4900年一次。如果使用雙星旋近模型來擬合，那麼產生這次引力波的很有可能是兩個較大質量的恆星級黑洞，質量分別為太陽的85倍（置信區間71~106）和66倍（置信區間48~83），而併合後的黑洞質量約為太陽的142倍（置信區間126~170），釋放出的引力波能量相當於8倍太陽質量。

GW190521引力波事件可能產生了中等質量黑洞。圖中紫色表示通過電磁波發現的黑洞，藍色表示通過引力波發現的黑洞，黃色表示通過電磁波發現的中子星，橙色表示通過引力波發現的中子星。左側數軸表示質量。（來源：LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller）

黑洞的質量有著天壤之別，從小到大可以分為微型黑洞（通常是指宇宙大爆炸後產生的原初黑洞）、恆星級黑洞、中等質量黑洞、超大質量黑洞。然而，目前實際觀測到的只有兩類，要麼是恆星級黑洞，要麼是超大質量黑洞。顧名思義，恆星級黑洞的質量與恆星相當，只有太陽質量的幾倍到幾十倍；而所謂超大質量黑洞被認為是至少比太陽重幾千倍，最高可達數十億倍。超大質量黑洞位於星系的核心（如銀河系中心黑洞質量約為420萬太陽質量），上千億顆恆星的運動由它們所主宰。你有沒有發現，在「幾十倍」與「幾千倍」之間，「幾百倍」太陽質量的黑洞卻是個斷檔——介於「恆星級黑洞」與「超大質量黑洞」之間的「中等質量黑洞」去哪兒了呢？這是天文學中一個令人費解的謎團。如果GW190521引力波事件的發生過程確如模型描述的那樣，生成了一個142倍太陽質量的黑洞，那麼它將是人類有史以來首次記錄到一個中等質量黑洞的誕生！

LIGO與Virgo聯合探測到的引力波事件。GW190521來源於兩次恆星級黑洞的併合，它們的產物是一個質量約為142倍太陽質量的黑洞，這是人類首次捕捉到中等質量黑洞。（來源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)）

奇怪的事情還不止於此。理論認為，恆星級黑洞在大質量恆星晚年坍縮與爆炸過程中形成。不過理論也指出，不同級別大質量恆星的最終結局略有不同，但有個特殊現象——要麼不產生黑洞，如果產生黑洞，質量要麼小於65倍太陽質量，要麼大於130倍太陽質量。這一質量空白的現象叫做「對不穩定性質量間隙」（pair instability mass gap）。具體怎麼回事呢？【注意前方高能，想了解的可閱讀下面這段，不想了解的記住結論後直接跳過下一段。】主要原因是質量十分巨大的恆星存在對不穩定性（pair instability）。

如果恆星質量不超過太陽的100倍，它們會以普通的超新星終了此生（根據具體機制上的差異也可分成好幾種）。如果質量達到100~130倍太陽質量，恆星壓力和溫度會觸發所謂脈衝收縮，加速熱核反應進行，同時產生少量正負電子對，這就是不穩定對。這個過程很神奇，與正反物質湮滅是相反的——當兩個高能光子發生碰撞，能量轉化為粒子，即一個電子和一個正電子。這個級別的恆星中，不穩定對的數量不足以摧毀恆星，但會迫使恆星向外拋出部分質量，直到核心質量小到能夠產生正常的II型超新星。上述兩個級別的大質量恆星在超新星爆炸後坍縮形成的黑洞質量上限為65倍太陽質量。當恆星質量達到太陽的130~250倍時，能產生一個真正意義上的極為特殊的超新星類型，即不穩定對超新星，大量的高能光子（伽馬射線）碰撞產生自由電子和正電子，大大削弱了核心熱壓力，坍縮造成核心極度壓縮，在僅僅以秒計算的時間內，偌大的恆星內核完全燃燒，發生劇烈的熱核爆炸，趁引力勢能尚未控制局面的時候，熱能已經得到完全釋放，恆星被完全摧毀，甚至都不會產生黑洞。當恆星質量超過250倍太陽質量時，晚年恆星核心產生一種所謂光致蛻變的機制，極端高能的伽馬射線和原子核作用，使原子核進入受激態，鐵原子核被無情擊碎，蛻變成氦原子核和中子，甚至隨著溫度上升氦原子核也會被高能伽馬射線擊碎蛻變。這是一個與核聚變完全相反的過程，其結果是恆星在短到只有零點幾秒內就被瓦解，核心直接形成黑洞，恆星的外圍質量則成為吸積盤或超新星。這樣的黑洞質量至少有130倍太陽質量。

於是，問題來了，產生GW190521引力波事件的兩個主角黑洞，質量可能都超過了太陽的65倍，它們是如何形成的呢？我們的選擇有兩個，一是由巨大質量的恆星坍縮形成，但勢必要對當前理論進行適當修改。二，這兩個黑洞都分別來自更小質量的恆星級黑洞的併合，也就是說，它倆可能是「黑二代」，它倆併合後的中等質量黑洞就是「黑三代」。這一解釋無需修改理論，同時也符合黑洞分級併合的猜測，黑洞會像貪吃蛇一樣越吃越大，那些超大質量黑洞不必「一口吃成個胖子」。這一猜測可能性更大些，因為研究人員測量了此次引力波中兩個黑洞的自旋情況，它們的自轉軸並不平行，造成它們旋近軌道並不穩定，這暗示著它們並不是一對雙星，可能有著更為複雜的過往歷史。

GW190521引力波事件中併合的兩個黑洞自轉軸並不完全一致。這副藝術畫中背景描繪了一個星團，表示兩個黑洞可能處在一個相對緻密的星團中。（來源：Raúl Rubio/Virgo Valencia Group/The Virgo Collaboration）

GW190521引力波信號持續時間僅0.1秒，信號峰值處頻率為60Hz。如果把引力波信號轉換成聲音，前幾次引力波事件中的黑洞併合猶如鳥鳴般的「啁啾」，那麼這次好比「砰」的一聲悶雷。信號則足夠強勁，研究人員推測足有等同於8倍太陽質量的能量轉化成了引力波，向整個宇宙蕩漾開去。模型推測，這個引力波來自於5.3Gpc（吉秒差距 ），相當於70億光年外的一個星系，不過我們並不能確定到底是哪一個星系。至於這種中等質量黑洞是不是處在形成超大質量黑洞的中間過程，或者說它位於某個星系的某個緻密星團中，那裡正在演繹大質量恆星的蛻變，我們不得而知。我們只知道，這次交上了好運，根據目前的認知，類似事件發生的頻率並不高，你可以這樣理解，在一個長寬高約32.6億光年的宇宙立方體中，產生類似引力波信號的概率為每年0.13次（0.13 Gpc-3yr-1）。

GW190521是迄今探測到最大質量黑洞併合事件（來源：D. Ferguson, K. Jani, D. Shoemaker, P. Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration）

一次引力波事件一下子挑戰了兩個黑洞「無人區」！這會讓人無比興奮的。現在LIGO/Virgo已經常態化運行，發現了越來越多的引力波事件，我們對黑洞的認識也越來越多，樣本也越來越多，這會讓我們一步步接近答案，揭開中等質量黑洞和超大質量黑洞的身世之謎。

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