發現迄今為止最強大的引力波源，瞬間釋放8個太陽質量的能量

2020-09-04 博科園

引力波由極端的天體物理現象產生，像宇宙鐘聲一樣「震撼著」時空的結構，即大家耳熟的時空漣漪。現在，天文學家在引力波中探測到了可能是迄今觀察到的最大質量黑洞合併信號。合併結果是首次清晰探測到質量介於太陽100倍到1000倍之間的「中等質量」黑洞。天文學家雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)和室女座(Virgo)探測到了這個信號，並將其標記為GW190521。

LIGO是一對相同4公裡長的幹涉儀，而室女座是一個3公裡長的探測器。這個信號類似於四次短暫的擺動，持續時間極短，持續時間不到十分之一秒。這個引力波源產生時，當時宇宙的年齡約為其年齡的一半，使其成為迄今為止檢測到最遠的引力波源之一。至於是什麼產生了這個信號，基於一套強大最先進的計算和建模工具，科學家們認為GW190521最有可能是由具有不尋常性質的雙星黑洞合併產生。

到目前為止，幾乎每一個被證實的引力波信號都來自於兩個黑洞或兩顆中子星之間的雙星合併。這次最新發現的合併似乎是迄今為止探測到的最大一次合併，涉及兩個質量分別為太陽85倍和66倍的黑洞。LIGO-Virgo團隊還測量了每個黑洞的自轉，並發現當黑洞越來越近地圍繞著自己的軸旋轉時，它們可能是在繞著自己的軸旋轉，角度與其軌道軸不對齊。當兩個黑洞互相盤旋時，黑洞未對齊的自轉很可能導致它們的軌道搖擺，或稱「進動」。

迄今最強引力波

新信號很可能代表了兩個黑洞合併的瞬間，這次合併創造了一個質量更大的黑洞，大約有142個太陽質量，並以引力波的形式釋放出巨大能量，相當於釋放大約8個太陽質量的能量，以引力波的形式傳播到整個宇宙。室女座團隊成員、法國國家科學研究中心(CNRS)研究員尼爾森·克裡斯滕森(Nelson Christensen)說：這看起來不太像我們通常探測到的引力波。

將這個信號與LIGO在2015年首次探測到的引力波進行了比較，這更像是『砰』的一聲，這是LIGO和處女座見過的最強大信號。組成LIGO科學合作(LSC)和室女座合作的國際科學家團隊，在在《物理評論快報》期刊和《天體物理學》期刊上發表了其研究發現，並討論了該信號的物理性質和天體物理意義。國家科學基金會引力物理項目主任佩德羅·馬羅內蒂(Pedro Marronetti)表示：

LIGO再一次讓我們感到驚訝，不僅探測到了難以解釋的大小黑洞，而且還使用了並非專門為恆星合併設計的技術。這一點非常重要，因為它展示了儀器從完全不可預見天體物理事件中探測信號的能力，LIGO表明，它也可以觀察到意想不到的情況。這兩個合併黑洞中獨特的大質量，以及最終合併出來的更大黑洞，提出了一系列關於它們形成的問題。到目前為止觀察到的所有黑洞，都符合兩種類型中的任何一種：恆星質量黑洞，測量質量從幾個太陽質量到幾十個太陽質量。

一系列新問題

恆星質量黑洞被認為是在大質量恆星死亡時形成；超大質量黑洞，比如銀河系中心的那個，從數十萬到數十億倍太陽質量。然而，由GW190521合併產生的一個142太陽質量黑洞，位於恆星質量和超大質量黑洞之間的中等質量範圍內，所以這是有史以來第一個被檢測到的此類黑洞。產生最終黑洞的兩個前身黑洞似乎在大小上也是獨一無二的，它們的質量如此之大，以至於科學家們懷疑它們中的一個或兩個可能不像大多數恆星質量黑洞那樣是由坍塌的恆星形成。

根據恆星演化的物理學，恆星核心中的光子和氣體向外的壓力支持它抵禦向內推動的引力，因此恆星像太陽一樣是穩定的。當一顆大質量恆星的核心融合了像鐵一樣重的原子核後，它就不能再產生足夠的壓力來支撐外層。當這種向外的壓力小於引力時，恆星會在自身重量下坍塌，這種爆炸被稱為核心塌陷超新星，可能會留下一個黑洞。這個過程可以解釋質量為130個太陽質量的恆星是如何產生高達65個太陽質量黑洞。

但對於較重的恆星，一種被稱為「不穩定對」的現象，被認為是起作用的。當恆星核心的光子變得極具能量時，它們可以變形成電子和反電子對。這些對產生的壓力比光子少，導致恆星在引力坍塌時變得不穩定，由此產生的爆炸足夠強烈，不會留下任何東西。更大質量的恆星，超過200個太陽質量，最終會直接塌縮成一個至少有120個太陽質量的黑洞。那麼，一顆坍塌的恆星應該不會在大約65到120個太陽質量之間產生黑洞，這個範圍被稱為「不穩定對質量間隙」。

恆星演化物理學

但現在，產生GW190521信號兩個黑洞中較重的一個，質量為85個太陽質量，是迄今為止在對子不穩定質量間隙內檢測到的第一個黑洞。尼斯天文臺阿爾特彌斯實驗室主任克裡斯滕森說：我們在這個質量間隙中看到了一個黑洞，這一事實會讓很多天體物理學家撓頭，試圖弄清楚這些黑洞是如何形成的。研究人員慮到的一種可能性是分層合併，即兩個前身黑洞本身可能是由兩個較小的黑洞合併而成，然後一起遷移並最終合併。

LIGO成員、加州理工大學物理學教授艾倫·溫斯坦(Alan Weinstein)說：這次發現提出的問題多於提供的答案，從發現和物理學的角度來看，這是一件非常令人興奮的事情，關於GW190521引力波信號還有許多剩餘問題。當LIGO和室女座探測器監聽通過地球的引力波時，自動搜索會梳理傳入的數據，以尋找感興趣的信號。這些搜索可以使用兩種不同的方法：在數據中挑選出可能由雙星系統產生的特定波形算法

以及更一般的「突發」搜索，本質上是尋找任何不尋常的東西。LIGO成員、麻省理工學院物理學助理教授塞爾瓦託·維塔萊將雙星搜索比作「通過數據梳理，可以捕捉到一定間隔內的東西」，而不是更像是「包羅萬象」的突發搜索。在GW190521引力波的情況下，是一次爆發搜索稍微更清楚地捕捉到了信號，打開了引力波來自非雙星合併的極小可能性。也許發現新東西的門檻非常高，因此，科學家通常使用奧卡姆剃刀。

意想不到的可能

但是如果有全新的東西產生了這些引力波呢？這是一個誘人的前景，在研究論文中，科學家們簡要地考慮了宇宙中可能產生所探測到信號的其他來源。例如，也許引力波是由銀河系中一顆坍塌的恆星發出。信號也可能來自宇宙在最早時刻膨脹之後產生的宇宙弦，儘管這兩種奇特的可能性都不能與數據以及雙星黑洞合併相匹配。科學家自從第一次打開LIGO以來，信心十足地觀察到的一切都是黑洞或中子星的碰撞產生引力波。

研究分析認為，這一事件可能不是這樣的碰撞，儘管這一事件與來自異常大質量雙星黑洞合併的可能性一致，而且不贊成其他解釋，但它正在突破天文學家信心的界限。這可能會讓它變得極其令人興奮，因為科學家們都希望有一些新的、意想不到的東西被發現，這可能會挑戰我們已知的東西。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊《物理評論快報》《天體物理學》

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    如果對該引力波事件完全不清楚的可以一會而翻看我兩天前的文章：《宇宙最強音，8個太陽質量瞬間釋放，LIGO發現最強引力波》。在2016年2月，LIGO向全球發布人類探測到的第一例引力波事件GW150914，該引力波是在2015年9月14日被剛升級完成的LIGO（雷射幹涉引力波天文臺）分別位於美國西北海岸的漢福德和南海岸利文斯頓的兩組互相垂直的真空臂探測到。
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