偵測到迄今最大雙黑洞整合之重力波,融成理論上的中等質量黑洞

讓科學家摸不著頭緒、理論上確信存在但始終找不到直接證據的中等質量黑洞，終於現身了！LIGO與Virgo重力波天文臺證實於去年9月探測到有史以來最大的雙黑洞整合事件，兩者質量分別為太陽的66和85倍，並且最終融合成太陽質量142倍的黑洞，正落在中等質量黑洞範圍內。

中等質量黑洞（Intermediate-mass black hole）是質量介於太陽100～1,000,000倍的一種理論黑洞，比恆星黑洞（數十倍太陽質量）大，但遠小於超大質量黑洞（數十萬倍太陽質量），它們是上述2種黑洞之間謎一般的缺失環節，天文學家肯定中等質量黑洞一定存在（畢竟超大質量黑洞形成的其中一個理論就是通過恆星黑洞不斷整合變大，代表過程一定會有中等質量黑洞這個過渡期），但迄今為止，我們只有寥寥數個無直接證據的「候選」對象。

2019年5月21日凌晨，LIGO與Virgo接收到持續約0.1秒的重力波信號GW190521，起源於70億光年以外，研究成員表示，這次信號聽起來不像我們平常認識的啁啾聲（chirp，指頻率隨時間而增加或減少的信號），反而更像「爆炸（bang）」，同時也是LIGO與Virgo目前接收過最大的信號。

研究人員使用了4種不同算法來確定黑洞整合的質量、以及釋放出多少能量，計算結果驚人表明，在不到1秒鐘時間內，70億光年外的2個黑洞整合發布之能量約太陽能量8倍，並且2個黑洞質量分別為太陽的66和85倍，融合成一個太陽142倍的中等質量黑洞，這裡立下2大裡程碑：第一，天文學家第一次握有清晰的中等質量黑洞重力波數據；第二，發現質量介於「灰色地帶」的黑洞。

根據愛因斯坦方程，黑洞可以具有任意質量，但宇宙只有通過天體物理學過程才能製造出一定質量的黑洞，大質量恆星崩潰是形成黑洞的一條關鍵途徑，卻也對黑洞質量設下了一些限制：根據恆星演化學，來自恆星核心光子與氣體的向外壓力會與向內推動的重力相抗衡，使恆星維持穩定，一旦這兩股力失衡，恆星就會在自身重力作用下塌縮引發超新星爆炸，視恆星本身質量可能變成白矮星、中子星或黑洞。

一顆質量高達太陽質量130倍的恆星可直接塌縮成65倍太陽質量的黑洞，但更大一點的恆星卻會開始存在「不穩定對」現象，由此產生的爆炸足夠強大，不會留下任何東西（不會形成中子星或黑洞），直到質量超過太陽200倍的恆星，才會又直接塌陷成120倍太陽質量的黑洞。也就是說，質量介於65～120倍之間的黑洞是塊灰色地帶，理論上，不會發現單顆恆星直接塌縮成質量介於66～120倍的黑洞。

而GW190521事件證明了現有模型的出入，天文學家不只發現2個質量都落在灰色地帶的黑洞，它們還進化成讓科學家遍尋無果的中等質量黑洞。研究人員考慮了其中一種可能性是「分層整合」：這2個黑洞也許不是來自恆星直接塌縮，而是來自另外2個更小黑洞的整合，如下圖所示。

黑洞一層一層整合的過程。（Source：LIGO）

雖然還有另一種解釋認為重力波可能來自宇宙弦，不過這解釋起來就複雜了，研究團隊退回奧卡姆剃刀（Occam’s Razor）法則：最簡單的假設也許最正確。

又如果，中等質量黑洞真的來自其他恆星黑洞一步一步整合，也許可再說明超大質量黑洞周圍的氣體盤中，確實藏有很多小黑洞。

兩篇新論文分別發布在《物理評論快報》（Physical Review Letters）與《天文物理期刊通信》（The Astrophysical Journal Letters）。

（首圖來源：LIGO）