這個(ge) 黑洞由兩(liang) 個(ge) 質量分別為(wei) 85 倍和 65 倍太陽質量的黑洞合並而成，這也對目前的黑洞形成理論提出了挑戰，因為(wei) 理論預測 85 倍太陽質量的黑洞是不可能存在的。

相關(guan) 研究今日在《物理評論快報》（Physical Review Letters）和《天體(ti) 物理學期刊通訊》（Astrophysical Journal Letters）發表，這一發現將幫助我們(men) 更好地認識位於(yu) 一些星係中央的超大質量黑洞。

圖片來源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

來源 MIT 等

編譯 王千玥 戚譯引

看似空曠無垠的宇宙中，其實充滿了引力波弦音一般的回響。引力波由極端天文物理現象產(chan) 生，在時空中激起圈圈漣漪，就像宇宙中的鈴鐺將聲音傳(chuan) 播出去一樣。這一次，研究人員聽到了一聲巨響。

這次事件是使用引力波觀測到的規模最大的黑洞合並事件，其形成的 142 倍太陽質量黑洞也是第一個(ge) 被清晰探測到的中等質量黑洞（即質量為(wei) 太陽質量的 100 倍至 1000 倍的黑洞）。這個(ge) 黑洞由兩(liang) 個(ge) 質量分別為(wei) 85 倍和 65 倍太陽質量的黑洞合並而成，這也對目前的黑洞形成理論提出了挑戰：根據目前理論， 85 倍太陽質量的黑洞不可能存在。

這個(ge) 引力波信號於(yu) 2019 年 5 月 21 日分別被位於(yu) 美國的激光幹涉引力波天文台（LIGO）和位於(yu) 意大利的 Virgo 幹涉儀(yi) 探測到，因此研究人員將其命名為(wei) GW190521。

今日，LIGO 和 Virgo 科學家團隊在國際期刊上發表兩(liang) 篇論文，報告對該信號對研究成果。一篇發表於(yu) 《物理評論快報》（Physical Review Letters），詳細敘述了引力波信號的發現過程；另一篇發表於(yu) 《天體(ti) 物理學期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上，討論了信號的物理性質和天文物理學意義(yi) 。

令人疑惑的質量空缺

此前，天體(ti) 物理學家觀測到的所有黑洞可以分為(wei) 兩(liang) 類：恒星級黑洞和超大質量黑洞。恒星級黑洞質量為(wei) 太陽質量的幾倍至幾十倍，一般認為(wei) 是質量大的恒星死去後形成的；而超大質量黑洞的質量達到太陽的幾百倍、幾千倍甚至數十億(yi) 倍，在銀河係的中心就存在一個(ge) 這樣的黑洞。然而，釋放這一引力波信號的最終黑洞質量為(wei) 太陽質量的 142 倍，處在恒星級黑洞和超大質量黑洞之間。

根據恒星演化物理，恒星的核中的光子和氣體(ti) 產(chan) 生向外的壓力，平衡了促使橫行物質向內(nei) 的重力，從(cong) 而保持穩定狀態，例如太陽。而當恒星內(nei) 部的重元素原子（例如鐵）發生聚變後，它將無法產(chan) 生能夠支撐外層的壓力。而當向外的壓力小於(yu) 重力時，恒星會(hui) 在自身重量的作用下坍塌，發生核坍縮超新星爆炸（core-collapse supernova），進而形成黑洞。

圖片來源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

這個(ge) 過程可以解釋 130 倍太陽質量的恒星如何形成最高為(wei) 65 倍太陽質量的黑洞。但對於(yu) 更重的恒星來說，對不穩定性（pair instability）現象也是要考慮的因素。當恒星核中的光子能量極高時，它們(men) 會(hui) 形成電子和反電子對。這些正反電子對產(chan) 生的壓力比光子小，使得恒星更不穩定，更容易發生引力坍縮，進而產(chan) 生足以摧毀一切的劇烈爆炸。即便是質量更大的恒星，比如 200 倍太陽質量，最終也會(hui) 坍縮成為(wei) 至少為(wei) 太陽質量 120 倍的黑洞。因此，坍縮的恒星不會(hui) 產(chan) 生質量在太陽質量 65 倍至 120 倍之間的黑洞，這個(ge) 範圍稱為(wei) 對不穩定性空缺（pair instability mass gap）。

但是現在，發出 GW190521 引力波信號的兩(liang) 個(ge) 黑洞裏較重的一個(ge) 質量為(wei) 太陽質量的 85 倍，是目前為(wei) 止探測到的第一個(ge) 質量落在這一區間的黑洞。

Virgo 成員、來自法國國家科學研究中心（CNRS）的研究員 Nelson  Christensen 表示：“我們(men) 觀察到了質量落在這個(ge) 區間的黑洞，這個(ge) 事實足以使很多天文物理學家抓耳撓腮，嚐試去研究這些黑洞的起源。”

一種可能性是第二篇文章提到的分級合並（hierarchical merger）：在相互接近並發生合並之前，兩(liang) 個(ge) 原始黑洞分別由更小的兩(liang) 個(ge) 黑洞合並而成。

 “這個(ge) 天文物理事件引發的疑問比它回答的問題要多，”加州理工學院物理學教授、LIGO 成員 Alan Weinstein 說，“從(cong) 探索和物理學的角度看，這是件令人激動的事。”

強大的信號

此信號持續時間極短，還不足 0.1 秒。研究人員推測，GW190521 引力波信號來自距地球 5 吉秒差距（gigaparsec）外的星係，反映了宇宙年齡相當於(yu) 目前一半時的狀態，經曆了 70 億(yi) 年的旅程才抵達地球。這也是目前探測到的最遙遠的引力波源。

至於(yu) 信號的來源，科學家根據先進的計算建模工具，推測 GW190521 最有可能是具有特殊性質的雙黑洞合並時產(chan) 生的信號。目前為(wei) 止，幾乎所有確認的引力波信號均來自於(yu) 雙星合並，包括雙黑洞合並和雙中子星合並。

LIGO-Virgo 團隊還分別測量了這兩(liang) 個(ge) 黑洞的自轉情況，發現隨著黑洞旋轉著相互靠近，它們(men) 各自的自轉軸可能會(hui) 偏離軌道的軸向。當這兩(liang) 個(ge) 龐然大物不斷旋轉著相互靠近時，軸的錯位會(hui) 導致它們(men) 的軌道搖擺不定，或者說發生進動。

這次合並產(chan) 生了一個(ge) 質量更大的黑洞，質量約為(wei) 太陽的 142 倍，可以以引力波的形式向宇宙釋放出相當於(yu) 太陽質量 8 倍的巨大能量。Christensen 表示：“這和我們(men) 通常探測到的啁啾聲一般的信號不一樣。”和 LIGO 於(yu) 2015 年第一次探測到的引力波對比，“這個(ge) 信號如同一聲巨響，是 LIGO 和 Virgo 目前為(wei) 止發現的最強大的信號源。”

“意料之外”

LIGO 項目由美國國家科學基金會(hui) （NSF）資助，其裝置由一對長 4 千米的幹涉儀(yi) 構成。“LIGO 再次給我們(men) 帶來了驚喜。不僅(jin) 僅(jin) 是因為(wei) 它探測到了尺寸難以解釋的黑洞，更因為(wei) 它用的技術並不是特意為(wei) 研究星係合並而設計的，” NSF 引力物理項目主任 Pedro Marronetti 評價(jia) 道，“這點意義(yi) 重大，它向我們(men) 展示了儀(yi) 器具有探測到來自人類未預見的天文物理事件信號的能力。LIGO 告訴我們(men) 它可以觀測我們(men) 意想不到的現象。”

當 LIGO 和 Virgo  探測器探測穿過地球的引力波信號時，自動搜索程序會(hui) 梳理輸入數據，尋找研究人員感興(xing) 趣的信號。搜索方法有兩(liang) 種：一是用算法尋找可能由兩(liang) 個(ge) 致密星體(ti) 構成的係統產(chan) 生的數據模式，二是更普遍的“突發搜索”（burst searches），尋找一切異常的信號。

LIGO 成員、麻省理工學院（MIT）物理學助理教授 Salvatore Vitale 把尋找特定模式的算法比喻成“用梳子穿過數據，總會(hui) 捕捉到一些特定形狀的東(dong) 西”，而突發搜索是一種更加通用的方法。

在 GW190521 信號的發現中，正是第二種方法挑選出了更清晰一點的信號，發現這種引力波來自除雙星合並以外其他來源的可能性很小。

“斷言我們(men) 發現新東(dong) 西的門檻很高，” Weinstein 表示，“我們(men) 一貫遵循奧卡姆剃刀原則：解釋越簡單越好，就 GW190521 信號而言，最好的解釋便是雙黑洞（合並）。”

但是，如果這次的引力波信號來自於(yu) 一個(ge) 全新的天體(ti) 呢？這是個(ge) 令人著迷的前景，在發表的文章中，科學家們(men) 也簡短地考慮了其他可能的引力波源。比如它可能是由銀河係的某顆正在坍塌的恒星發出的，或者來自宇宙早期產(chan) 生的弦。不過這些假說對數據的吻合度並不如雙黑洞合並假說。

“自從(cong) LIGO 投入使用以來，所有可信度高的觀測均為(wei) 黑洞或中子星的碰撞。” Weinstein  還表示，“在這個(ge) 現象中，我們(men) 的分析表明它有可能不是一次這樣的碰撞。盡管這一現象與(yu) 具有獨特質量的雙黑洞合並事件相一致，其他解釋不被看好，它仍使我們(men) 增強了自信。這是件令人興(xing) 奮的事。因為(wei) 我們(men) 都期待著找到新事物，渴望發現意料之外的現象來對我們(men) 已有的星空体育官网入口网站提出挑戰。而這個(ge) 天文發現就做到了這點。”

論文信息：

PRL：GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150  M⊙

Astrophys. J. Lett：Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521

參考來源：

1. https://eurekalert.org/emb_releases/2020-09/miot-ai082820.php

2. https://eurekalert.org/emb_releases/2020-09/c-npo090120.php

3. https://eurekalert.org/emb_releases/2020-09/nu-sdf083120.php

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