引力波相信大家都聽說過了,就算不懂其物理概念,但這個名詞肯定是熟悉的。今天我們雖然不談引力波,但是談論的東西卻與引力波有點關係。那就是當年發現引力波的超大實驗儀器LIGO發現了一個極其奇怪的引力波信號。
在對這個這個信號進行理論分析後,科學家們得出了兩個推論:要麼是我們現在關於黑洞的科學理論存在著巨大的缺陷,要麼就是出現了一種全新的,我們從未觀測到過的,也沒有任何理論預言過的「新型天體」。
為什麼科學家們會得到這種驚人的推論呢?因為這次LIGO發現的是一個142倍太陽質量的黑洞,不僅如此,這個黑洞還是由更小一點的兩個黑洞合併形成的:一個是65倍太陽質量的黑洞,另一個是85倍太陽質量的黑洞。令科學家們奇怪的就是這顆85倍太陽質量的黑洞。
根據我們現有的「黑洞理論」,宇宙中是不應該存在85倍太陽質量的黑洞的。現有的理論認為,黑洞可以特別小,也可以特別大,就是不能夠中等大小。比如10倍太陽質量的小黑洞是沒有問題的,幾十億倍太陽質量的超級黑洞也是理論允許的,比如我們銀河系中央的巨型黑洞就擁有幾十億倍太陽質量的大小。
科學家們將重量範圍在65-130倍太陽質量的黑洞稱為中等質量黑洞,但是重量處於這個區間的黑洞在過去的理論中是不應該存在的。為什麼呢?因為「對不穩定性」。那這個又該如何解釋呢?
我們知道粒子與其對應的反粒子發生接觸後會發生湮滅,釋放出能量,比如電子和正電子接觸就會湮滅成光子。當這個反應逆過來發生的時候,也就是當光子能量很高的時候,就會碰撞出正反電子對。
當一顆恆星的質量很大的時候,比如一顆100倍太陽質量的恆星,其內部的引力就非常大,內部壓強也非常大,所以其內部的光子能量很高,這時候光子就會發生碰撞,產生正反電子對的效果。
而一顆恆星之所以有一個固定的大小,沒有在內部引力的作用下坍縮成一團,就是因為其內部劇烈的核反應產生的能量是向外的,這股能量和內部壓力之間形成了一個動態平衡,所以恆星的大小就是固定的。但是如果這時候發生了我們上面所描述的,高能光子碰撞產生正負電子對的情況後,這個動態平衡就被打破了。因為正反電子對向外支撐的力是沒有原本光子的光壓大的,這時候恆星就撐不住,就要向內發生坍縮了。
由於天體的質量太大,產生的引力也是很大的,平衡被打破後,天體就會急劇向內坍縮,在這個極短過程中就會產生超高的能量密度,從而引發巨大的反撲,這時候恆星就會向外噴發出巨大的能量和物質,這就是我們所說的「對不穩定性」。
這就導致,就算你這顆天體原本是可以形成中等質量黑洞的,但是大量的物質在這個過程中被噴射出去了,這就導致留下來的物質不足以形成中等質量黑洞了。
那這時候有人就要問了,既然如此,超大質量黑洞是如何形成的呢?其實同樣的道理,因為質量更大,所以產生的引力就會更加強大,強大到物質就算噴射也不會被大規模地甩出去,質量得到了保存,所以質量就超大了。
只有質量剛好卡在中間量級的恆星才會因為「對不穩定性」導致大量的物質被甩出,當甩出的質量使得其質量下降到中等質量黑洞以下的時候,「對不穩定性」效果就消失了。正是因為這個理論,科學家們才會得出宇宙中不應該存在中等質量黑洞的結論。
但是LIGO既然已經發現了中等質量的黑洞,這就說明人類現有的黑洞理論至少是不完善的,除非這次發現的是一種我們從未曾知道過的天體。為什麼說除非是我們完全未知的天體呢?因為這個天體的形狀太奇葩,奇葩到它不是球形的。
為什麼科學家們會這麼說呢,因為「單個的球形天體」是發不出引力波這個東西的。根據愛因斯坦的廣義相對論,引力波只能夠以「四極矩」的形式存在,簡單來說就是一個中心對稱的天體是不會產生引力波的。我們目前所觀測到的引力波信號,都是來自一大一小兩個黑洞相互圍繞旋轉合併產生的,一大一小兩個黑洞旋轉正好保證了這個系統不是中心對稱的。
而要是真的是一種新型的天體的話,並且這個天體還發生了引力波,這就說明這個奇葩天體的質量一定很大,而且一定不是球形的。但是這又產生了矛盾,因為能夠產生引力波的大質量天體其引力一定會大到將自己盤成一個球。這簡直是對人類基礎科學理論的褻瀆。
所以科學家們寧願認為是現有的黑洞理論不夠完善,沒能預言出中等質量的黑洞,也不願意承認這是一個形狀奇葩且我們不知道也無法理解的天體。