北京時(shí)間 9 月 9 日消息，利用引力波探測(cè)器，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 142 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這是迄今為止觀測(cè)到的最大規(guī)模的黑洞合并事件。天體物理學(xué)家對(duì)這一引力波事件非常關(guān)注，因?yàn)檫@對(duì)目前的黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)。
兩個(gè)黑洞碰撞的想象圖
宇宙中充滿了時(shí)空漣漪——引力波——的回響，現(xiàn)在，在我們所聽到的 “宇宙交響樂(lè)”中，又增加了一段新的聲音。自 2015 年以來(lái)，天體物理學(xué)家一直在使用引力波探測(cè)器來(lái) “聆聽”宇宙中類似啁啾的信號(hào)，并通過(guò)解碼這些在時(shí)空中產(chǎn)生的細(xì)微漣漪，分析發(fā)出這些信號(hào)的大規(guī)模碰撞事件?，F(xiàn)在，根據(jù)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和歐洲的室女座干涉儀（Virgo）的一項(xiàng)新研究，科學(xué)家們探測(cè)到了一個(gè)新的引力波信號(hào)，來(lái)自一場(chǎng)快速而劇烈的 “爆炸”事件。對(duì)該事件的研究或許能幫助我們解開更多的宇宙謎題。
“這是又一個(gè)首次發(fā)現(xiàn)，”美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)的物理學(xué)家、這項(xiàng)新研究的團(tuán)隊(duì)成員加布里埃拉 · 岡薩雷斯（Gabriela Gonzalez）說(shuō)，“我們永遠(yuǎn)不會(huì)厭倦第一。”經(jīng)過(guò)一年多的研究，這個(gè)被稱為 GW190521 的奇怪信號(hào)使科學(xué)家相信，他們發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大規(guī)模的黑洞合并事件，其形成的 142 倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞也是第一個(gè)被清晰探測(cè)到的中等質(zhì)量黑洞（即質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量 100 倍至 1000 倍的黑洞）。
宇宙中的巨大爆炸
根據(jù) 2019 年 5 月 21 日探測(cè)到的引力波信號(hào)，天文學(xué)家的推測(cè)，該信號(hào)是一個(gè) 85 倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞與一個(gè) 66 倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星黑洞碰撞時(shí)產(chǎn)生的，最后形成了一個(gè) 142 倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞
當(dāng)科學(xué)家們仔細(xì)梳理引力波探測(cè)儀的觀測(cè)結(jié)果時(shí)，很快就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)獨(dú)特的信號(hào)。這項(xiàng)新研究的合著者、哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家筎然娜 · 瑪卡（Zsuzsanna Marka）清楚地記得，探測(cè)器是在 2019 年 5 月 21 日接收到信號(hào)。她是少數(shù)幾個(gè)將手機(jī)與宇宙探測(cè)實(shí)時(shí)連接的天體物理學(xué)家之一，每當(dāng)引力波探測(cè)器 “聽”到宇宙中可能的信號(hào)時(shí)，他們就會(huì)收到提醒。
收到提醒之后，瑪卡開始檢查這些事件中是否伴有中微子爆發(fā)。不過(guò)，就在當(dāng)晚，她已經(jīng)意識(shí)到這很可能是一次十分特別的探測(cè)?！拔也挥勺灾鞯刈⒁獾搅司薮蟮馁|(zhì)量，”瑪卡說(shuō)道。她記得當(dāng)時(shí)的想法是：“這太棒了，意義非常重大。這確實(shí)是我們希望看到的大規(guī)模事件之一，令人難以置信，但還不清楚是否真的存在這樣的大質(zhì)量黑洞?！?/p>
黑洞的大小各不相同。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的數(shù)據(jù)，恒星黑洞（一類由大質(zhì)量恒星引力坍塌后形成的黑洞）的質(zhì)量是太陽(yáng)的 10 到 25 倍；超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)十萬(wàn)倍到數(shù)百萬(wàn)倍以上，一般認(rèn)為星系中心（包括銀河系中心）都會(huì)有超大質(zhì)量黑洞。天文學(xué)家推測(cè)，可能存在某種介于兩者之間的黑洞，即中等質(zhì)量黑洞。據(jù)估計(jì)，中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量大約為太陽(yáng)的 100 倍到 1000 倍。
這張圖顯示了迄今為止探測(cè)到的黑洞碰撞和中子 - 恒星碰撞事件。產(chǎn)生 GW190521 的事件位于中心頂部，是所有碰撞中黑洞質(zhì)量最大的
中等質(zhì)量黑洞并不像大多數(shù)小型黑洞那樣，由垂死的恒星爆發(fā)形成。相比由單一恒星引力坍縮形成的恒星黑洞而言，中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量顯然過(guò)大；恒星在爆發(fā)過(guò)程中總是會(huì)失去一些物質(zhì)，但當(dāng)恒星達(dá)到一定體積后，無(wú)論它變大多少，當(dāng)它爆發(fā)時(shí)會(huì)形成一個(gè)質(zhì)量最高約為太陽(yáng) 65 倍的黑洞。根據(jù) LIGO 團(tuán)隊(duì)的研究，更大的恒星在爆發(fā)時(shí)會(huì)失去更多的物質(zhì)，最終形成同樣大小的黑洞。
這一過(guò)程可以解釋 130 倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星如何形成最高為 65 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，而對(duì)于質(zhì)量更大的恒星（130 至 250 倍太陽(yáng)質(zhì)量），則更可能發(fā)生不穩(wěn)定對(duì)超新星爆發(fā)，恒星將被完全毀滅，不留下黑洞或其他任何殘骸。因此，天文學(xué)家認(rèn)為，恒星坍縮不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量在太陽(yáng)質(zhì)量 65 倍至 120 倍之間的黑洞，這一范圍稱為 “對(duì)不穩(wěn)定性空缺”。
直到最近，中等質(zhì)量黑洞還只是理論上存在的神秘天體，即使以黑洞的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看也十分難以捉摸。利用 LIGO 的早期探測(cè)結(jié)果，天文學(xué)家對(duì)恒星黑洞進(jìn)行了觀察；另一方面，事件視界望遠(yuǎn)鏡也拍攝到了 M87 星系中心超大質(zhì)量黑洞的圖像，但對(duì)于中等質(zhì)量黑洞，對(duì)其進(jìn)行探測(cè)并不容易。
這次新的爆炸事件成為首次探測(cè)到中等質(zhì)量黑洞的證據(jù)。天文學(xué)家的計(jì)算表明，這個(gè)引力波信號(hào)是一個(gè) 85 倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞與一個(gè) 66 倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星黑洞碰撞時(shí)產(chǎn)生的。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)引力物理學(xué)項(xiàng)目主任佩德羅 · 馬羅內(nèi)蒂（Pedro Marronetti）在一份聲明中說(shuō)：“LIGO 再次讓我們感到驚喜，它不僅探測(cè)到了大小難以解釋的黑洞，而且使用的技術(shù)并不是專門為恒星合并事件設(shè)計(jì)的。”LIGO 項(xiàng)目是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的。
“這非常重要，因?yàn)樗故玖?LIGO 探測(cè)器的能力，其探測(cè)到的信號(hào)來(lái)自完全不可預(yù)見的天體物理事件，”馬羅內(nèi)蒂說(shuō)，“這項(xiàng)探測(cè)表明，LIGO 也可以觀測(cè)到我們意想不到的物體。”
是新的黑洞，還是更奇特的物體？
2019 年 5 月 21 日探測(cè)到的黑洞碰撞事件的數(shù)值模型
與往常一樣，當(dāng)涉及到引力波時(shí)，天文學(xué)家就不得不圍繞著探測(cè)結(jié)果中破譯的少量信息來(lái)建立假設(shè)。他們將這一引力波信號(hào)命名為 GW190521，發(fā)現(xiàn)它的持續(xù)時(shí)間比 LIGO 之前探測(cè)到的其他信號(hào)短得多，只有十分之一秒；它的頻率也比之前的黑洞合并事件產(chǎn)生的信號(hào)低得多。天文學(xué)家還可以追蹤該信號(hào)至特定的天空區(qū)域。
根據(jù)這些信息，天體物理學(xué)家計(jì)算出了碰撞發(fā)生的距離——大約 70 億光年。他們還可以計(jì)算出了兩個(gè)相撞物體的質(zhì)量，分別是太陽(yáng)質(zhì)量的 85 倍和 66 倍，而碰撞后的物體質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的 142 倍（在碰撞過(guò)程中，一些質(zhì)量以引力波能量的形式丟失了）。
由于瀕死恒星產(chǎn)生的黑洞大小存在限制，因此這些初始質(zhì)量表明，至少其中較大的黑洞——也可能是較小的黑洞——本身可能就是兩個(gè)黑洞碰撞的結(jié)果?！皟蓚€(gè)黑洞合并，形成一個(gè)新的黑洞…… 然后它們?cè)俅魏喜?，”瑪卡說(shuō)，“這只有在存在大量黑洞，即黑洞密度很高的環(huán)境下才會(huì)發(fā)生。”
瑪卡希望這場(chǎng)碰撞發(fā)生在一個(gè)活動(dòng)星系核附近，由于活動(dòng)星系核的強(qiáng)大引力，可以將其他天體錨定在附近。活動(dòng)星系核是星系中心的一個(gè)致密區(qū)域，其發(fā)出的輻射被認(rèn)為是星系中央的超大質(zhì)量黑洞物質(zhì)吸積產(chǎn)生的。不過(guò)，利用目前有關(guān)的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家還沒有辦法確定 GW190521 背后的確切機(jī)制。
從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度，如果能發(fā)現(xiàn)更多正在合并的中等質(zhì)量黑洞，或許可以解決關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的一個(gè)重大謎團(tuán)，即它們的起源。
“它們就像房間里的大象，有上百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，”美國(guó)西北大學(xué)天體物理學(xué)家、LIGO 研究人員克里斯托弗 · 貝里（Christopher Berry）在另一份聲明中說(shuō)，“它們是由恒星質(zhì)量黑洞（恒星塌縮時(shí)產(chǎn)生）演變而來(lái)，還是通過(guò)某種未被發(fā)現(xiàn)的方式產(chǎn)生的？長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直在尋找一個(gè)中等質(zhì)量黑洞，以填補(bǔ)恒星黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的空缺?，F(xiàn)在，我們有證據(jù)證明中等質(zhì)量黑洞確實(shí)存在。”
盡管天文學(xué)家對(duì)這個(gè)引力波信號(hào)和發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞的可能性感到興奮，但他們并不能肯定目前的假設(shè)是正確的。當(dāng)然，兩個(gè) 85 倍和 66 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞合并是最符合數(shù)據(jù)的，但天體物理學(xué)家也在考慮其他更奇特的解釋。
“如果某種全新的事件產(chǎn)生了這些引力波呢？”美國(guó)西北大學(xué)的物理學(xué)家、LIGO 團(tuán)隊(duì)專家瓦西莉基 · 卡洛耶拉（Vicky Kalogera）說(shuō)，“這樣的前景很吸引人。”她還補(bǔ)充道，目前對(duì)信號(hào)產(chǎn)生原因的假設(shè)包括一顆銀河系恒星的坍縮，以及某種古老的宇宙弦。
首次發(fā)現(xiàn)之后
引力波從兩個(gè)黑洞的合并中擴(kuò)散出來(lái)
目前，LIGO 和 Virgo 探測(cè)器都處于下線狀態(tài)。由于新冠肺炎疫情大流行，它們被迫在 3 月底關(guān)閉。不過(guò)，天體物理學(xué)家正計(jì)劃升級(jí)這兩臺(tái)探測(cè)器和它們的算法，以繼續(xù)探測(cè)宇宙中的時(shí)空漣漪。
探測(cè)器及其算法的升級(jí)對(duì)于追蹤更多像 GW190521 這樣的信號(hào)是至關(guān)重要的。如果探測(cè)器本身更加靈敏，科學(xué)家就能捕捉到更遙遠(yuǎn)的信號(hào)；而對(duì)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行微調(diào)，他們就能更容易地識(shí)別像這樣的更短信號(hào)。
岡薩雷斯表示，探測(cè)到兩個(gè)黑洞的碰撞事件，以及其中某個(gè)黑洞本身就是由合并形成的，這預(yù)示著宇宙中存在著很多有待觀測(cè)的信號(hào)?！拔蚁Ｍ@意味著有更多的黑洞——可能是黑洞的集群，因?yàn)樗鼈兙奂谝黄穑院喜⒌酶l繁，”她說(shuō)，“我希望這些黑洞集群的規(guī)模很大，而且分布在很多地方，這樣我們就能探測(cè)到更多的黑洞?！?/p>
當(dāng)然，這一切還必須取決于未來(lái)的探測(cè)結(jié)果?！按笞匀蛔鏊撟龅模覀儾荒芨嬖V它該做什么，”岡薩雷斯說(shuō)，“我們收集數(shù)據(jù)，取得發(fā)現(xiàn)，然后由理論天體物理學(xué)家們?nèi)ネ茰y(cè)并提出新的理論，來(lái)解釋這些巨大的黑洞是如何產(chǎn)生的?！?/p>
LIGO 和 Virgo 團(tuán)隊(duì)將相關(guān)研究的結(jié)果發(fā)表在 9 月 2 日的《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）和《天體物理學(xué)期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上，前一篇詳細(xì)描述了引力波信號(hào)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，后一篇?jiǎng)t討論了該信號(hào)的物理性質(zhì)及天文物理學(xué)意義。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。