太燒腦，引力波首次發現質量「禁區」的黑洞

2020-09-24 陝西藝網網絡科技

天文學家利用引力波探測到了迄今為止最強大、最遙遠、最令人費解的黑洞碰撞。這兩個龐然大物在宇宙年齡只有現在一半時發生了融合，至少有一個黑洞重達太陽的85倍——天文學家曾認為這麼大的質量不會發生此類事件。

根據研究人員的估計，這次併合產生了一個將近150倍太陽質量的黑洞，而這個質量範圍內的黑洞之前從來沒有確定性地被觀測到過。

兩個黑洞碰撞的藝術示意圖。來源：Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library

「這次發現的方方面面都叫人目瞪口呆。」荷蘭萊頓大學的計算天體物理學家Simon Portegies Zwart說。特別是它證實了「中等質量」黑洞的存在：這類天體的質量比典型恆星要大得多，但又沒有星系中心的超大質量黑洞那麼大。

澳大利亞莫納什大學的理論天體物理學家Ilya Mandel稱其是「超出預期的奇妙發現」。

描述此次事件的兩篇論文已於9月2日發表[1,2]，事件由美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）的兩臺探測器和義大利稍小的室女座引力波探測器（Virgo）在2019年5月21日檢測到，並根據發現時間命名為「GW190521」。

質量禁區

2015年至今，LIGO和Virgo通過探測引力波帶來了關於宇宙的全新認識。這些時空漣漪能揭示一些很難觀測到的事件，比如用普通望遠鏡通常難以發現的黑洞併合。

根據引力波的性質，比如頻率變化，天體物理學家就能估算出在繞旋併合過程中產生這些引力波的天體的大小和其他性質。這種方法徹底改變了黑洞研究，為幾十個黑洞提供了直接證據，這些黑洞的質量從太陽質量的幾倍到約50倍不等。

這些質量與「傳統」方式形成的黑洞相符，所謂傳統方式是指非常大的恆星在燃料燃盡時，在自身重量作用下發生坍縮。但傳統理論認為，恆星坍縮不會產生質量在65倍到120倍太陽質量的黑洞。這是因為在接近壽命終點時，特定大小範圍內的恆星的中央會變得非常熾熱，會開始把光子變成粒子和反粒子對，這種現象也被稱為對不穩定性（pair instability）。對不穩定性會引發氧原子核聚變爆炸，讓整個恆星四分五裂，完全瓦解。

在最新發現中，LIGO和Virgo探測器只捕獲到了繞旋併合的黑洞產生的最後四次引力波，頻率在1/10秒內從30赫茲增加到80赫茲。相對偏小的黑洞會繼續向更高的頻率上調，但非常大的黑洞會更快併合，幾乎不會進入探測器最靈敏的低頻範圍。

在本次事件中，兩個黑洞的質量估計是太陽質量的85倍和66倍。「這基本落在了我們所說的對不穩定性質量間隙（pair-instability mass gap）內。」美國西北大學的LIGO天體物理學家Christopher Berry說。

哈佛大學天體物理學家Selma de Mink把對不穩定性的下限放得更低，大概在45倍太陽質量，這讓兩個天體中較輕的那一個也鐵定進入了禁區。「在我看來，兩個黑洞都大得離譜。」她說。

非主流黑洞

為了對觀測結果作出解釋，LIGO研究團隊考慮了各種可能性，包括這兩個黑洞可能在時間之初就存在了。幾十年來，研究人員一直推測在大爆炸之後不久可能同時形成了這種大小不一的「原初」黑洞。

研究團隊假設的主要情景是，這些黑洞之所以變得這麼大，是因為它們本身也來自之前黑洞的併合。恆星坍縮形成的黑洞應該充斥在緻密星團中，原則上可以經歷反覆併合。但即使是這種場景，也是不確定的，因為首次併合後的黑洞，一般會被引力波「踢」一下，把自己從星團裡拋射出來。只有在極少數情況下，這個黑洞會依舊停留在可能再次發生併合的區域裡。

如果這些黑洞停留在它們所在星系十分擁擠的中央區域，後續併合就更有可能發生，Selma de Mink說，那裡的引力足夠強，可以防止反衝天體被拋射出去。

尚不清楚這次併合究竟發生在哪個星系。但一組研究人員發現，太空中同一個區域的一個類星體——由一個超大質量黑洞驅動的一個異常明亮的星系中心——在GW190521發生約一個月後產生了耀斑現象[3]。耀斑可能是反衝黑洞產生的類星體高溫氣體中的一個激波，但許多天文學家對這兩個現象的相關性持謹慎態度。

這是LIGO-Virgo合作團隊今年第二次涉足質量「禁區」了 。今年6月，他們描述了一個涉及約2.6倍太陽質量的天體的併合事件——這個質量一般對於黑洞來說太輕了，對於中子星來說又太重了[4]。

參考文獻：

[1]Abbott, R. et al. Phys. Rev. Lett. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.101102 (2020).

[2]Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba493 (2020).

[3]Graham, M. J. et al. Phys. Rev. Lett. 124, 251102 (2020)

[4]Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f (2020).

原文以『It’s mindboggling!』: astronomers detect most powerful black-hole collision yet為標題發表在2020年9月2日的《自然》新聞版塊

本文來自微信公眾號：Nature自然科研，作者：Davide Castelvecchi

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