引力波探測再帶來震撼：大規模黑洞合併事件昭示天體物理學新問題

在大眾輿論中沉寂數年後，引力波再次進入人們的視野。這一次，它似乎是要向我們講述一個宇宙中「本不應該發生的故事」。

根據兩篇研究論文——分別刊登於今天的《物理學評論快報》（Physical Review Letters）上和《天體物理學期刊快報》（The Astrophysical Journal Letters）上——的介紹，位於美國的雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）和位於義大利的 「處女座」 引力波探測儀（Virgo），均於 2019 年 5 月探測到了約四次短時的空間震動，每次震動持續時間不超過十分之一秒。LIGO 和 Virgo 的研究人員隨後將此次探測到的信號標記為了 GW190521 信號。

圖 | 黑洞合併過程示意圖

根據論文，此次事件的信號源距地球約五吉秒差距（Gpc，一吉秒差距約相當於 32.6 億光年），在信號源發出信號時，宇宙的年齡僅為當前的一半，而 GW190521 也因此成為了人類迄今為止所探測到的最遠的引力波事件。

在地球上的引力波探測設施至今所探測到的合併事件中，參與合併的天體不是兩個黑洞，就是兩個中子星。而根據論文所給出的計算，研究人員認為，產生此次信號的事件很有可能是一次規模巨大的雙黑洞合併事件，並認為參與合併的兩個黑洞質量分別約為 85 和 66 倍太陽質量，兩個黑洞合併後所形成的新黑洞質量約為 142 個太陽質量，事件本身向外釋放了約 8 個太陽質量所蘊含的能量，並以引力波的形式擴散至整個宇宙，使得 GW190521 除了是人類目前探測到的最遠的引力波信號，也是目前我們探測到的規模最大的天體合併事件。

此外，研究人員還認為，根據對兩個黑洞自旋的測量，隨著參與合併事件的兩個黑洞彼此間的距離越來越近，兩個黑洞也越來越傾向於繞著它們自身，與運動軌道不同的軸向旋轉（自轉），導致運動軌跡發生旋轉，使兩個黑洞在合併前的運動軌跡呈螺旋形。

圖 | GW190521 源事件的藝術想像圖，（來源：LIGO/Caltech/MIT）

首次觀測到質量異常的黑洞

法國國家科學中心研究員 Nelson Christensen 說：「此次信號與我們此前所探測到的黑洞合併事件所產生的信號有所不同，與 LIGO 於 2015 年首次探測到的黑洞合併事件所放出的引力波信號相比，此次的信號簡直就像是一次『爆炸』，而這也確實是 LIGO 和 Virgo 至今探測到的最『大』的事件。」

美國國家引力物理項目主任 Pedro Marronetti 說：「這次的信號可以說是 LIGO 為我們帶來的又一個驚喜，這種儀器起初並不是為了專門探測恆星級的合併事件而被設計的，但它不但能持續探測到這些事件，還能探測到那些包含『質量異常』的天體的這類事件。」

我們此前所觀測到的所有黑洞都能被分為兩類，一類是恆星級黑洞（質量為幾倍到數十倍太陽質量，一般由大質量恆星死亡時產生），一類是超大質量黑洞（質量為成千上萬倍甚至數十億倍太陽質量，銀河系中心就有一個），而此次產生 GW190521 信號的事件所合併出的黑洞，質量為 142 倍太陽質量，位於上述兩種分類之間，屬人類首次被觀測到的一個 「中階」 黑洞；而合併為該黑洞的那兩個黑洞質量也較為巨大，以至於有研究人員認為那兩個黑洞可能並非由大質量恆星坍縮而成。

根據現有的恆星演化理論，恆星內部由光子和氣體產生的向外的力會支撐恆星抵抗向內的引力，使恆星處於相對穩定狀態（比如太陽），但當大質量恆星的燃料燃燒殆盡時，其星核所產生的向外的支撐力便會小於重力，導致恆星在自身引力的作用下坍縮，形成超新星爆炸，並最終變成中子星或黑洞。

上述理論能解釋質量為 130 倍以下太陽質量的大質量恆星如何能最終變為質量為 65 倍以下太陽質量的黑洞，但對於質量更大的恆星來說，一種名為 「對不穩定性（pair instability）」 的現象將在恆星死亡時被引發，在這一過程中，星核內處於超高能狀態的光子會變為 「電子 - 反電子」 對，這些電子 - 反電子對所產生的向外的力要小於光子能產生的力，使得恆星在短時間內變得極不穩定，最終演變為一次強勁的 「對不穩定性」 超新星爆炸，使一切都蕩然無存；而質量更高的恆星（比如 200 倍以上太陽質量）則會最終坍縮為至少 120 倍太陽質量的黑洞。由此，65 至 120 倍太陽質量間的這個區間，被天文學家們稱為 「對不穩定性質量空缺」 區間，理論上說，直接由一顆恆星坍縮形成的黑洞質量是不會落在這個區間的。

但此次製造 GW190521 事件的兩個黑洞，質量分別約為 66 倍與 85 倍太陽質量，是人類首次觀測到質量位於 65 至 120 倍太陽質量這一 「對不穩定性質量空缺」 區間內的黑洞。

圖 | 黑洞質量排行：最近的黑洞合併以 142 個太陽質量位居榜首。

兩篇論文中，發表在《物理學評論快報》上的這篇著重探討事件物理意義（另一篇著重介紹此次發現的過程），論文作者認為造成這種情況出現的一個可能原因，或許是參與合併事件的兩個黑洞此前也是由較小的黑洞合併而成。

LIGO 研究員、加州理工學院物理學教授 Alan Weinstein 說：「此次發現對物理和天體物理學界提出的問題要遠多於它所能回答的問題，不得不說這著實是一次令人興奮的事件。」

意料之外

除了質量異常，GW190521 還隱藏著許多其他問題。比如，一般 LIGO 和 Virgo 在接收到穿過地球的信號時，為這類設備所設計的一套數據篩選算法會自動將收集到的數據以兩種方法進行分析，一種是通過特定的波形來判斷信號是否由雙星系統產生，一種是更為普適的尋找 「突髮式」 信號的方法，用於判定發出信號的事件是否十分獨特、值得被研究。而此次 GW190521 信號的源頭事件雖由一個 「雙星系統」 產生，但算法卻是用第二種，即更為普適的尋找 「突髮式」 信號的方法分析出了這一信號。

圖 | 由 LIGO-Hanford（左）、LIGO-Livingston（中）和 Virgo（右）探測器觀測到的GW190521 事件。

LIGO 研究員，麻省理工學院助理教授 Salvatore Vitale 說：「通過特定波形判斷信號是否由雙星系統發出，實際上是以特定條件（比如固定時間差）對數據進行梳理，而『突髮式』信號搜索則更像是一種『全包』的方法。」

有研究人員認為，由 「突髮式」 信號搜索分析出的 GW190521 信號其實也有可能不是由雙星系統產生——如果真是那樣，那將意味著科學家第一次藉助於引力波探測到了並非由雙星合併製造的天體物理學事件。Alan Weinstein 說：「這種說法並非完全沒有可能，但目前已知的信息還不足以幫助我們斷言此次事件就是一種全新的事件，因此至少從可能性上來說，信號由雙星系統產生目前仍是我們的『最佳選項』。但值得注意的是，此次事件目前確實也存在著其他可能，雖然自 LIGO 開機以來，我們所探測到的所有事件都是黑洞或中子星的雙星系統融合事件，但此次探測到的信號所預示的一些內容確實已經超出了我們的理論預測範圍，這無疑是令人興奮的。」