大質量黑洞可能是"黑洞二代"

2020-09-09 牧夫天文

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原作：Govert Schilling

翻譯：艾宇熙

校譯：徐鵬暉 陳杰

審閱：牧夫天文校對組

編排：王璞

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文連結：

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/record-breaking-signal-reveals-new-population-of-black-holes/

引力波天文臺探測到了迄今為止人類觀測到的最大質量黑洞的融合，這一發現可能會改變我們對黑洞形成的認識。

黑洞融合產生時空漣漪

N. Fischer / H. Pfeiffer / A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics) / Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

2019年5月21日世界時3點02分29秒，美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）和歐洲室女座引力波探測器（Virgo）同時記錄到一個時空的漣漪。文學家們確定了這個信號與中等質量黑洞有關。這個發現也增進了天體物理學界對於黑洞生長的理解。

普林斯頓的黑洞研究者Jenny Greene說到：「這太令人激動了。」

這個時長0.1秒的引力波信號編碼為GW190521，產生於70億年前一個遙遠的星系裡兩個恆星級黑洞碰撞融合，形成一個142倍太陽質量的黑洞的時候。這也是目前人們通過引力波探測到的最大質量黑洞。這一發現說明，黑洞可以通過連續的融合不斷生長，而星系中央的超大質量黑洞可能就是這樣產生的。

來自荷蘭烏特勒支大學的引力波探測項目成員Chris Van Den Broeck介紹說：「這個引力波信號的時長很短，頻率較低（約60赫茲），這些特徵使得它的來源還存在不同的解釋，但最為可靠的是這個信號來自於一次大質量黑洞的融合。9月2日，對於這個信號的深入分析發表在《物理學評論快報》上，分析表明，這個引力波信號由一個66倍太陽質量黑洞和一個85倍太陽質量黑洞的融合產生。

GW190521是目前人類通過引力波探測到的最大的黑洞融合事件

Deborah Ferguson / Karan Jani / Deirdre Shoemaker / Pablo Laguna / Georgia Tech / MAYA Collaboration

根據現有的天文學共識，超新星爆發並不能產生65～120倍太陽質量的黑洞。如果假設超新星爆發可以產生這樣的大質量黑洞，那麼爆發前的恆星質量需要達到130～200倍太陽質量，而如此之大的質量會在恆星演化中產生生對不穩定性超新星，最後所有的物質都被拋射出去，不會留下黑洞。

形成GW190521信號的黑洞之一質量高達85倍太陽質量，因此它不是由超新星爆發產生的——更可能是由更早的時候的另一次黑洞融合產生的。美國密西根州立大學的球狀星團專家Jay Strader說：「從恆星直接產生85倍太陽質量的黑洞是不現實的，因此新發現暗示這種質量的黑洞有可能是較小的黑洞在一個黑洞密集的區域裡逐級融合而來，比如說在一個球狀星團裡。」

這次探測到的引力波事件不僅是人類首次發現對不穩定性質量間隙範圍內的黑洞，也是人類首次可靠地探測到100太陽質量以上的黑洞。北京大學的何子山教授說：「我們對於發現這種參與形成超大質量黑洞的『種子黑洞』已經期待已久了。」

人類探測到的中子星、黑洞或黑洞融合事件。圖中每個圓圈表示一個有觀測數據支持的黑洞，縱坐標反映分析數據所得出的黑洞質量，圓圈上的豎線表示誤差範圍。紫色圓圈：電磁波段觀測；藍色圓圈：引力波觀測的黑洞融合事件（兩個較小的黑洞融合為更大的黑洞，因此每組有三個圓圈被箭頭連接）；黃色圓圈：電磁波段觀測到的中子星；橙色圓圈：引力波觀測的中子星。圖的最上方的一組三個黑洞即GW190521融合事件。

LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller

中等質量黑洞的發現填補了恆星級黑洞和星系級黑洞之間的質量空白。同時發表在《天體物理學雜誌快報》的報告稱：GW190521證實了中等質量黑洞可以通過兩個較低質量的黑洞融合形成，而中等質量黑洞很可能就是超大質量黑洞形成過程中缺失的一環。

然而，Strader指出：黑洞從低質量到高質量逐級融合的假說並不是沒有缺陷。據模擬的情形，這些黑洞需要密集地分布在一個區域，這樣逐級融合才能發生。他的猜想是GW190521所代表的這類天體和超大質量黑洞的形成關係不大。超大質量黑洞的形成或許需要數量更多的大質量黑洞做『種子』，又或者是來源於氣體吸積。

近期，Jenny E. Greene，Jay Strader和何子山共同撰寫了一篇探討中等質量黑洞的綜述。這篇綜述也認為目前所有解釋中等質量黑洞形成的理論都面臨著挑戰。Greene說：「我不認為所有中等質量黑洞都是經過同樣的過程形成的，但是如果我們觀測到了一些例子，仍然可以從中學到重要的原理。」

Van Den Broeck表示，未來的引力波探測器將可能突破目前LIGO和Virgo的頻率限制，探測到200～1000倍太陽質量的黑洞。最終，這些觀測記錄將為我們揭示宇宙歷史中中等質量黑洞的誕生與演化過程。

責任編輯：邱煜欣

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

圖片來自網絡

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