? 一對(duì)相撞的黑洞產(chǎn)生的中量級(jí)的黑洞被天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，對(duì)它的研究結(jié)果不僅為中等質(zhì)量和高質(zhì)量間隙黑洞提供了新的線索，也是理解黑洞之謎的關(guān)鍵。

在70億光年之外，在一個(gè)閃亮的引力波圓盤(pán)上有一對(duì)相互碰撞的黑洞，這是黑洞天文學(xué)中最受歡迎的發(fā)現(xiàn)之一——難以捉摸的“中等質(zhì)量”黑洞，屬于恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間。

然而，這一對(duì)相互碰撞的黑洞不僅結(jié)合形成了中等質(zhì)量黑洞，其中一個(gè)還比較獨(dú)特，為高質(zhì)量間隙黑洞。它的質(zhì)量介于恒星質(zhì)量黑洞和中等質(zhì)量黑洞之間，這樣的黑洞是以往在銀河系中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)的。

LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）成員、加州理工學(xué)院的物理學(xué)家艾倫·溫斯坦說(shuō):“這次事件帶來(lái)的問(wèn)題比它提供的答案還多，但從探索和物理學(xué)的角度來(lái)看，這是一件非常令人興奮的事?！?/p>

2019年5月21日，LIGO和室女座干涉儀探測(cè)到黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波信號(hào)，與之前探測(cè)到的信號(hào)相比，這次的信號(hào)非常短。

通過(guò)對(duì)其分析后發(fā)現(xiàn)，合并后的產(chǎn)物是一個(gè)質(zhì)量約為太陽(yáng)142倍的黑洞，而形成這個(gè)黑洞的兩個(gè)物體的質(zhì)量分別是太陽(yáng)的66倍和85倍。自首次探測(cè)到引力波以來(lái)，這比5年內(nèi)探測(cè)到的任何黑洞碰撞后的產(chǎn)物都要大。

德國(guó)馬普引力物理研究所和馬里蘭大學(xué)的理論物理學(xué)家亞歷山德拉·博南諾說(shuō)：“從一開(kāi)始，這個(gè)只有十分之一秒長(zhǎng)的信號(hào)就挑戰(zhàn)了我們，讓我們無(wú)法確定它的起源。但是，盡管它很短暫，我們?nèi)阅軐⑵湔J(rèn)定為黑洞碰撞合并。根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，我們意識(shí)到我們第一次見(jiàn)證了一個(gè)中等質(zhì)量黑洞的誕生。該黑洞的‘父母’一方很可能由一次早期的雙子星合并而形成?！?/p>

這些結(jié)果不僅為探秘中質(zhì)量和高質(zhì)量間隙黑洞提供了新的線索，還是解鎖另一個(gè)黑洞之謎的關(guān)鍵——超大質(zhì)量黑洞是如何形成的。

黑洞是個(gè)巨大的謎團(tuán)。由于它們不會(huì)發(fā)射或反射任何我們能探測(cè)到的輻射，所以我們通常不知道它們的存在，除非它們正在吞噬其他物質(zhì)——這一過(guò)程會(huì)釋放出大量輻射。

黑洞合并前的引力波模擬圖

至于中等質(zhì)量黑洞，由于數(shù)量稀少，它們更是成為謎中謎。我們已探測(cè)到的恒星質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的100倍，而超大質(zhì)量黑洞通常比恒星質(zhì)量黑洞大一百萬(wàn)到十億倍。

天文學(xué)家已經(jīng)探測(cè)到一些他們認(rèn)為很可能是中等質(zhì)量黑洞的天體，但是就像大多數(shù)的黑洞探測(cè)一樣，探測(cè)方法是間接的，所以結(jié)果仍然無(wú)法確定。

但是引力波讓我們能夠直接探測(cè)到雙黑洞以及它們合并后的產(chǎn)物，這就使得新發(fā)現(xiàn)的信號(hào)GW 190521成為第一個(gè)對(duì)中等質(zhì)量黑洞的直接探測(cè)。

西北大學(xué)引力波天文學(xué)家克里斯托弗·貝瑞說(shuō):“天體物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一就是超大質(zhì)量黑洞是如何形成的。它們就像將上百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)那么大質(zhì)量的大象關(guān)在一間房間里一樣。它們是從恒星坍塌時(shí)產(chǎn)生的恒星質(zhì)量黑洞中產(chǎn)生的，還是通過(guò)某種尚未被發(fā)現(xiàn)的方式誕生的？長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直在尋找中等質(zhì)量黑洞，以填補(bǔ)恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的鴻溝。如今，我們有證據(jù)證明中等質(zhì)量的黑洞確實(shí)存在?！?/p>

這個(gè)85倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞算是一個(gè)奇跡。因?yàn)?，根?jù)模型，超過(guò)65個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞不可能像恒星質(zhì)量黑洞那樣，由一顆恒星形成。

這是因?yàn)楹阈堑馁|(zhì)量很大，以至于它們的超新星——被稱為不穩(wěn)定對(duì)超新星——應(yīng)該會(huì)完全摧毀恒星的核心，不會(huì)留下任何可以因引力坍塌成黑洞的物質(zhì)。

這就產(chǎn)生了我們所說(shuō)的“高質(zhì)量間隙”（低質(zhì)量間隙屬于黑洞和中子星之間）。GW 190521對(duì)應(yīng)的那個(gè)85倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞是第一個(gè)在這個(gè)質(zhì)量缺口中被明確探測(cè)到的黑洞。

當(dāng)然，在這個(gè)階段——引力波天文學(xué)還處于初級(jí)階段的時(shí)候——我們不可能知道這個(gè)事件本身是否是一個(gè)異常事件。

德國(guó)漢諾威愛(ài)因斯坦研究所和萊布尼茲大學(xué)引力物理研究所的物理學(xué)家卡斯滕·丹茨曼說(shuō)：“我們還不知道GW190521（首次觀測(cè)到的中等質(zhì)量黑洞），這一令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，是一種全新的雙黑洞類型，還是只是我們已見(jiàn)過(guò)的高質(zhì)量黑洞?！?/p>

第一次進(jìn)行這樣的直接探測(cè)是非常令人興奮的，同時(shí)它還代表了科學(xué)發(fā)現(xiàn)中最棒的一環(huán)：回答現(xiàn)有的問(wèn)題，并繼續(xù)提出大量的新問(wèn)題。

西北大學(xué)的天文學(xué)家蔡斯·金博說(shuō):“我們正處在引力波天文學(xué)的黎明時(shí)代，作為一名天體物理學(xué)家，很難找到更好的時(shí)機(jī)了?！?/p>

該項(xiàng)研究已發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》和《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》。

by: MICHELLE STARR

FY: 北門(mén)

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