142倍太陽質量！科學家發現迄今質量最大的黑洞

雙黑洞合併產生引力波的模擬圖。 （馬克斯普朗克引力物理研究所/圖）

引力波的發現是21世紀迄今為止最重要的物理學成就之一，三位物理學家因為對發現引力波的重要貢獻獲得了2017年諾貝爾物理學獎。自2015年9月14日首次探測到引力波信號以來，科學家不斷發現新的引力波信號。這種時空漣漪攜帶著源的重要信息，引力波天文學也開啟了探索宇宙的新道路。

2020年9月2日，美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）與位於義大利的室女座引力波天文臺（Vigro）共同宣布他們利用引力波探測到一個質量為142個太陽的黑洞。這是科學家首次探測到質量介於100個太陽到1000個太陽之間的「中等質量黑洞」，也是到目前為止科學家利用引力波探測到的質量最大的黑洞。科學家推測，這個黑洞由兩個較小的黑洞合併而成，而兩個參與合併的黑洞中質量較大的一個，其質量並不在此前理論允許的質量範圍內。這些發現將挑戰我們關於大質量恆星生命周期最後階段的理解，並加深我們對黑洞形成和演化的認識。

關於這項研究的兩篇論文於9月2日同時發表：其中一篇發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，詳細介紹了這個引力波信號的發現；另一篇發表在《天體物理學雜誌快報》（Astrophysical Journal Letters）上，討論了信號的物理性質和天體物理學意義。

LIGO和Virgo在2019年5月21日分別探測到這個信號，因此這個信號被編號為GW190521。這個信號源同地球的距離大約為70億光年，是科學家探測到的最遠的引力波源。科學家使用最先進的計算和建模工具，揭示出這次不同尋常的合併的大量信息。

他們推測GW190521最有可能來自不同尋常的雙黑洞合併事件。到目前為止確認的所有引力波信號都來自雙星合併事件，要麼是雙黑洞合併，要麼是雙中子星合併，而這次合併事件就是兩個質量分別為85倍太陽質量和66倍太陽質量的黑洞的合併。兩個黑洞合併時，形成一個新的質量大約為142倍太陽質量的黑洞，同時釋放出巨大的能量。這些能量大約相當於8個太陽的質量。法國國家科學研究中心研究員、Virgo合作組織成員尼爾森·克裡斯滕森（Nelson Christensen）表示：「這不像我們通常探測到的啁啾聲一樣的信號。」在科學家於2015年第一次探測到的引力波事件GW20150914中，兩個黑洞合併釋放出3個太陽的質量。與那次的信號相比，「這次更像是一次巨響，是LIGO和Virgo到目前為止探測到的最強大的信號。」

科學家目前觀測到的黑洞根據質量可以分為兩類：恆星級黑洞和超大質量黑洞。恆星級黑洞的質量在幾個到幾十個太陽之間，被認為是恆星死亡時形成的。超大質量黑洞的質量在數千個太陽到數十億個太陽之間，我們銀河系的中心就有這樣的黑洞。而142個太陽質量的黑洞則屬於恆星級黑洞和超大質量黑洞之間的中等質量黑洞，這也是科學家第一次探測到這種類型的黑洞。它所在的100個到1000個太陽質量這個區間被稱作「黑洞沙漠」，就是因為科學家此前發現的位於這個質量區間的黑洞候選天體極少。這個質量的黑洞同對天體物理學家和宇宙學家來說最困擾也最具挑戰性的問題之一有關：超大質量黑洞的起源。他們推測這些宇宙中的「巨獸」可能來自較小的中等質量黑洞的合併。

加州理工學院教授、LIGO合作組織成員艾倫·韋恩斯坦（Alan Weinstein）在LIGO官網上表示：「這個事件提出的問題要比它給出的答案更多；從發現和物理學的角度，這是一件令人激動的事情。」

這兩個參與合併的黑洞同樣非常獨特。它們的質量很大，因此科學家懷疑其中的一個或者兩個全都不是像一般的恆星級黑洞那樣是由一顆塌縮的恆星形成的。

根據恆星演化理論，質量達到130倍太陽質量的恆星可以產生質量最高為65倍太陽質量的黑洞。對於質量更大的恆星，比如超過200倍太陽質量，由於物理機制不同，會最終直接塌縮成質量至少為120倍太陽質量的黑洞。這樣一來，一顆塌縮的恆星不會產生質量大約在65倍到120倍太陽質量之間的黑洞，這個範圍被稱作「對不穩定質量間隙」（pair instability mass gap）。

但是在產生引力波信號GW190521的兩個黑洞中，有一個處於上述質量範圍的邊界附近，而其中質量較大的一顆為85倍太陽質量，則是第一顆探測到的位於「對不穩定質量間隙」中的黑洞。克裡斯滕森在LIGO官網上表示：「我們看到了一個位於這個質量間隙中的黑洞，這足以令很多天體物理學家撓頭，嘗試研究這些黑洞是如何形成的。」

在發表在《天體物理學雜誌快報》上的論文中，研究人員提出了一種解釋，即「分級合併」（hierarchical merger）：在相互接近並發生合併之前，兩個黑洞分別是由兩個更小的黑洞合併而成。不過，除了這種可能性外，Virgo合作組織成員、義大利帕多瓦大學教授米蓋拉·馬佩利（Michela Mapelli）指出：「還有可能是來自大質量恆星的塌縮或者其他更加奇異的過程。然而，可能我們不得不修正我們目前關於恆星生命周期最後階段的理解以及由此得來的對黑洞形成的質量限制。不管怎樣，GW190521對黑洞形成的研究都作出了重要貢獻。」

儘管GW190521的信號持續時間很短，只有不到0.1秒，限制了科學家對源的天體物理性質的研究，但他們還是從中推測出合併前的兩個黑洞旋轉速度非常快。法國國家科學研究中心研究員、Virgo合作組織成員蒂託·達爾·坎頓（Tito Dal Canton）認為：「這個信號顯示了進動的跡象。」也就是說，當兩個黑洞一邊旋轉一邊相互靠近的時候，它們各自的自轉軸可能會偏離軌道的軸向，而軸的錯位會導致它們的軌道搖擺不定。坎頓表示：「這個效應很微弱，因此我們不能確定它一定存在；但是如果是真的話，那這個效應就會支持這樣一種假設，即合併前的黑洞產生並存在於一個不穩定的、擁擠的宇宙環境中，比如緻密的恆星星系團或者活躍星系核的吸積盤。」

除了最有可能的雙黑洞合併外，也還存在科學家未知的全新機制產生這些引力波的可能性。科學家在論文中簡要討論了宇宙中其他可能產生他們探測到的信號的引力波源。例如，可能是一顆位於我們的星系之中的正在塌縮的恆星產生了這個引力波信號，但是科學家並沒有發現超新星爆炸的其他跡象，比如中微子；也可能來自宇宙最早期的暴脹之後產生的宇宙弦；還有一種可能性，即兩個黑洞並不是形成於合併或者恆星塌縮，而是來自原初黑洞。不過，這些奇異的可能性沒有哪個能和雙黑洞合併一樣很好地與觀測數據吻合。

針對這次發現，Vigro發言人喬瓦尼·洛蘇爾多（Giovanni Losurdo）這樣說道：「Virgo和LIGO合作進行的觀測照亮了黑暗的宇宙，定義了一個新的宇宙圖景。而在今天，我們再一次宣布一個史無前例的發現。我們始終在改進我們的探測器以提升它們的性能，從而更加深入地探索宇宙。」

南方周末特約撰稿 鞠強