太烧脑，引力波首次发现质量“禁区”的黑洞

本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），作者：Davide Castelvecchi，头图来自：视觉中国

天文学家利用引力波探测到了迄今为止最强大、最遥远、最令人费解的黑洞碰撞。这两个庞然大物在宇宙年龄只有现在一半时发生了融合，至少有一个黑洞重达太阳的85倍——天文学家曾认为这么大的质量不会发生此类事件。

根据研究人员的估计，这次并合产生了一个将近150倍太阳质量的黑洞，而这个质量范围内的黑洞之前从来没有确定性地被观测到过。

两个黑洞碰撞的艺术示意图。来源：Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library

“这次发现的方方面面都叫人目瞪口呆。”荷兰莱顿大学的计算天体物理学家Simon Portegies Zwart说。特别是它证实了“中等质量”黑洞的存在：这类天体的质量比典型恒星要大得多，但又没有星系中心的超大质量黑洞那么大。

澳大利亚莫纳什大学的理论天体物理学家Ilya Mandel称其是“超出预期的奇妙发现”。

描述此次事件的两篇论文已于9月2日发表[1,2]，事件由美国激光干涉引力波天文台（LIGO）的两台探测器和意大利稍小的室女座引力波探测器（Virgo）在2019年5月21日检测到，并根据发现时间命名为“GW190521”。

质量禁区

2015年至今，LIGO和Virgo通过探测引力波带来了关于宇宙的全新认识。这些时空涟漪能揭示一些很难观测到的事件，比如用普通望远镜通常难以发现的黑洞并合。

根据引力波的性质，比如频率变化，天体物理学家就能估算出在绕旋并合过程中产生这些引力波的天体的大小和其他性质。这种方法彻底改变了黑洞研究，为几十个黑洞提供了直接证据，这些黑洞的质量从太阳质量的几倍到约50倍不等。

这些质量与“传统”方式形成的黑洞相符，所谓传统方式是指非常大的恒星在燃料燃尽时，在自身重量作用下发生坍缩。但传统理论认为，恒星坍缩不会产生质量在65倍到120倍太阳质量的黑洞。这是因为在接近寿命终点时，特定大小范围内的恒星的中央会变得非常炽热，会开始把光子变成粒子和反粒子对，这种现象也被称为对不稳定性（pair instability）。对不稳定性会引发氧原子核聚变爆炸，让整个恒星四分五裂，完全瓦解。

在最新发现中，LIGO和Virgo探测器只捕获到了绕旋并合的黑洞产生的最后四次引力波，频率在1/10秒内从30赫兹增加到80赫兹。相对偏小的黑洞会继续向更高的频率上调，但非常大的黑洞会更快并合，几乎不会进入探测器最灵敏的低频范围。 

在本次事件中，两个黑洞的质量估计是太阳质量的85倍和66倍。“这基本落在了我们所说的对不稳定性质量间隙（pair-instability mass gap）内。”美国西北大学的LIGO天体物理学家Christopher Berry说。

哈佛大学天体物理学家Selma de Mink把对不稳定性的下限放得更低，大概在45倍太阳质量，这让两个天体中较轻的那一个也铁定进入了禁区。“在我看来，两个黑洞都大得离谱。”她说。 

非主流黑洞

为了对观测结果作出解释，LIGO研究团队考虑了各种可能性，包括这两个黑洞可能在时间之初就存在了。几十年来，研究人员一直推测在大爆炸之后不久可能同时形成了这种大小不一的“原初”黑洞。

研究团队假设的主要情景是，这些黑洞之所以变得这么大，是因为它们本身也来自之前黑洞的并合。恒星坍缩形成的黑洞应该充斥在致密星团中，原则上可以经历反复并合。但即使是这种场景，也是不确定的，因为首次并合后的黑洞，一般会被引力波“踢”一下，把自己从星团里抛射出来。只有在极少数情况下，这个黑洞会依旧停留在可能再次发生并合的区域里。

如果这些黑洞停留在它们所在星系十分拥挤的中央区域，后续并合就更有可能发生，Selma de Mink说，那里的引力足够强，可以防止反冲天体被抛射出去。

尚不清楚这次并合究竟发生在哪个星系。但一组研究人员发现，太空中同一个区域的一个类星体——由一个超大质量黑洞驱动的一个异常明亮的星系中心——在GW190521发生约一个月后产生了耀斑现象[3]。耀斑可能是反冲黑洞产生的类星体高温气体中的一个激波，但许多天文学家对这两个现象的相关性持谨慎态度。

这是LIGO-Virgo合作团队今年第二次涉足质量“禁区”了 。今年6月，他们描述了一个涉及约2.6倍太阳质量的天体的并合事件——这个质量一般对于黑洞来说太轻了，对于中子星来说又太重了[4]。

参考文献：

[1]Abbott, R. et al. Phys. Rev. Lett. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.101102 (2020).

[2]Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba493 (2020).

[3]Graham, M. J. et al. Phys. Rev. Lett. 124, 251102 (2020)

[4]Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f (2020).

原文以‘It’s mindboggling!’: astronomers detect most powerful black-hole collision yet为标题发表在2020年9月2日的《自然》新闻版块

本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），作者：Davide Castelvecchi