LIGO探測到兩大黑洞碰撞:形成「不可能質量」黑洞,是太陽142倍

2020-11-24 前瞻網

圖片來源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, and the SXS Collaboration

70億年前，兩個大黑洞碰撞在一起，形成了一個巨大的新黑洞。這是迄今為止在太空中探測到的最大的黑洞碰撞，而在碰撞中形成的新黑洞也是迄今為止探測到的最大的黑洞。事實上，因為太大了，物理學家根本不確定它是否存在。

穿越太空25億年之後，這比太陽存在的時間還要長，兩個大黑洞碰撞的漣漪被美國和義大利的兩個雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)於2019年5月21日探測到。這些波紋揭示了至少兩個黑洞合併的特徵——一個質量是太陽85倍，另一個質量是太陽66倍。當它們相撞時，它們形成了一個質量是太陽142倍的黑洞。丟失的9個太陽的物質在碰撞中轉化為能量，使宇宙劇烈震動，LIGO和Virgo都能探測到。這就是科學家們發現85倍太陽質量的黑洞和142倍太陽質量的黑洞能存在的原因。

Virgo合作小組成員尼爾森·克裡斯坦森在一份聲明中說:「這個(信號)看起來不像我們通常探測到的啾啾聲。」「它更像是『砰』的一聲。」

在比以前探測到的任何引力波運行更長的時間之後，「砰聲」只在大約十分之一秒的時間內震動了我們所在的空間區域。但是通過分析這種波的形狀，研究人員了解了其中涉及的黑洞類型以及它們到底有多大。

到目前為止，黑洞分為兩類：恆星質量的黑洞和超大質量的黑洞。

恆星質量的黑洞是由恆星坍縮形成的，其質量不會超過太陽的幾十倍。這就是LIGO和Virgo之前探測到的正在合併的黑洞。

光譜的另一端是超大質量的黑洞，其質量是太陽的數百萬倍或數十億倍，其引力使其周圍形成整個星系。銀河系有一個，其它類似的星系也有一個。但科學家不確定它們從何而來，如何形成；他們也從未發現過如此巨大的黑洞的合併。

在超大質量黑洞和恆星質量黑洞之間有一個很大的「質量差距」，在這個質量範圍內還沒有發現任何黑洞。一種觀點認為，超大質量黑洞是由恆星質量的黑洞合併產生的。但如果是這樣的話，它們就必須穿過這個質量範圍。恆星質量的黑洞會結合形成質量間隙黑洞，這些黑洞會不斷結合直到變成超大質量的黑洞。但直到現在，科學家們還從未見過這種情況發生。

「天體物理學中最大的謎團之一是『超大質量黑洞是如何形成的?』」研究報告的合著者、美國西北大學的物理學家克里斯多福·貝瑞在一份聲明中說。「它們就像房間裡上百萬個太陽質量的大象。它們是由恆星質量的黑洞(恆星坍縮時產生)產生的，還是通過一種未被發現的方式產生的?長期以來，我們一直在尋找一個中等質量的黑洞來填補恆星質量黑洞和超大質量黑洞之間的差距。現在，我們有證據證明中等質量的黑洞確實存在。」

這一發現實際上揭示了黑洞可以存在於兩個獨立的質量間隙中。85倍太陽質量的黑洞正好符合「雙不穩定」缺口。

研究人員認為，較輕的恆星之所以不會坍縮成黑洞，是因為其核心中光子和氣體向外施加的壓力使其膨脹到很大的體積。但在質量非常大的情況下，恆星核心的能量會將光子轉換成電子和反電子對，它們一起產生的壓力比光子要小。這意味著當恆星發生坍縮時，其過程是如此之快，能量如此之大，導致大部分質量被吹散到太空中。所以130個太陽質量的恆星可以坍縮形成66個太陽質量的黑洞。 

這種「雙不穩定」的差距範圍從66個太陽質量到120個太陽質量——在這個範圍內，理論計算表明，坍縮的恆星不可能直接形成黑洞。2019年探測到的85個太陽質量的黑洞正好在這個範圍內。最有可能的解釋是，它是「第二代」黑洞，由兩個較小的祖先形成。研究人員在研究中寫道，這個質量是太陽66倍的黑洞也有可能是第二代黑洞。

142個太陽質量的黑洞落入另一個更大的質量缺口。一個質量超過120個太陽的黑洞，理論上可能是由非常大的坍縮恆星形成的。但是在那個範圍內的黑洞還沒有被探測到，而且直到現在，研究人員也不確定這種質量的黑洞是否存在，無論它們是如何形成的。但這個新的、142個太陽質量的黑洞正好落在這個範圍內——介於恆星質量和超大質量之間。它證明了那種質量的黑洞是可以存在的。

研究人員寫道，仍然有可能，這個信號並沒有像研究人員假設的那樣揭示出非常大的黑洞。

「如果某種全新的東西產生了這些引力波呢?」西北大學的另一位研究人員Vicky Kalogera在聲明中說，「這是一個誘人的前景……例如，也許引力波是由我們星系中的一顆坍縮的恆星發出的。信號也可能來自宇宙膨脹初期產生的宇宙弦——儘管這兩種奇異的可能性都不像這樣符合數據。」

引力波天文學還很新，無法確定。研究人員寫道，隨著LIGO、Virgo和未來的探測器從新事件中收集到更多數據，圖像將變得更加清晰。而這一事件，因為它預示著超大黑洞的存在，可能最終會變得更容易解釋。

一篇描述這一發現的論文發表在9月2日的《物理評論快報》上，另一篇探討其意義的論文也於同一日發表在《天體物理學雜誌通訊》上。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://www.livescience.com/super-big-black-hole-crash.html

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

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aba493

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