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2019年3月，LIGO和Virgo引力波天文臺探測到兩個黑洞的合并。這兩個黑洞的質(zhì)量一個相當(dāng)于85個太陽，另一個相當(dāng)于66個太陽。這次事件稱為GW190521，它是我們目前探測到的最大的一次黑洞合并。這兩個黑洞合并成為一個相當(dāng)于142個太陽質(zhì)量的黑洞，并成為用引力波探測到的第一個中等質(zhì)量黑洞。然而，這次事件也引發(fā)了許多問題。

其中最大的疑問是最初這兩個黑洞的質(zhì)量。基于恒星模型，可以形成黑洞的坍縮的恒星的質(zhì)量不會大于65個太陽?？赡苓@兩個黑洞中較小的那一個還勉強符合標(biāo)準(zhǔn)，但較大的那一個黑洞的質(zhì)量肯定超出了恒星模型模擬出的結(jié)果范圍。那么，相當(dāng)于85個太陽質(zhì)量的黑洞是怎么形成的呢？

一種觀點是它是由較小的合并所形成的。如果有一個包含4到6個黑洞的封閉系統(tǒng)，隨著時間的推移，他們可能會合并形成單顆大黑洞。但是這個黑洞團(tuán)簇也必須使這個質(zhì)量為66個太陽的黑洞進(jìn)入軌道，以制造這個GW190521合并。有證據(jù)表明黑洞團(tuán)簇有可能存在，但是并不清楚他們是否能夠合并得足夠快以解釋GW190521的形成。因此最近有一個團(tuán)隊提出了另一種方案，他們提出GW190521不是兩個黑洞的合并，而是兩顆玻色星的合并。

觀察到的合并事件GW190521。資料來源：R.Abbott等人（LIGO科學(xué)合作和Virgo合作）普羅卡星（Proca star），或者有時被稱為玻色星，是一個類似于白矮星或中子星的假想天體。物質(zhì)的組成部分有兩種形式：費米子，如電子和夸克；玻色子，如膠子和希格斯。費米子抵抗占據(jù)相同的量子態(tài)。當(dāng)引力試圖把費米子擠在一起時，它們會通過所謂的簡并壓力推回，這種壓力使白矮星和中子星不會在它們的重力作用下崩潰。

玻色子占據(jù)相同的量子態(tài)沒有問題。事實上，如果你超冷玻色子，它們可以形成一個被稱為玻色愛因斯坦凝聚體的量子物體。正因為如此，你可能認(rèn)為引力將大量的玻色子坍縮成黑洞是沒有問題的。但事實證明，在強引力場中，密度極高的玻色子的行為出乎意料。物理學(xué)是相當(dāng)復(fù)雜的，但最終的結(jié)果是玻色子恒星將達(dá)到一個像白矮星和中子星那樣的引力對峙。假設(shè)，玻色子星可能是引力穩(wěn)定的，就像白矮星和中子星一樣，甚至比他們更穩(wěn)定。簡并壓力是有限制的，也就是說，白矮星不能大于1.4個太陽質(zhì)量，中子星可以大于2-3個太陽質(zhì)量。如果條件合適，玻色子恒星的質(zhì)量很容易達(dá)到85個太陽或更多。

如果通過EHT看到一顆玻色星就是這樣的。資料來源：奧利瓦雷斯（Olivares）等。玻色子物質(zhì)不能成為普羅卡星（Proca star），但暗物質(zhì)的某些理論提出了新的玻色子種類。如果暗物質(zhì)是由低質(zhì)量玻色子組成的，它們就可以形成與黑洞大小和質(zhì)量相似的物體。因為它們有很強的磁場（不像黑洞），所以我們可以通過它們周圍的光透鏡來區(qū)分玻色星和黑洞?；蛘撸邕@項最新研究所提出的，我們也許能夠通過它們的引力波探測到它們。

當(dāng)研究小組查看GW190521事件的數(shù)據(jù)時，他們發(fā)現(xiàn)這與黑洞合并和普羅卡星（Proca star）合并是一致的。這兩個模型的數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合。由于普羅卡星的性質(zhì)取決于組成它的玻色子的質(zhì)量，他們使用GW190521數(shù)據(jù)來測量玻色子的質(zhì)量。他們得到的答案非常微小。大約是估計中微子質(zhì)量的萬億分之一。

這些都不能證明普羅卡星的存在。我們所觀察到的所有引力波事件都可以用黑洞合并來解釋。但這項研究為我們提供了有趣的想法。一種新的輕玻色子粒子可以幫助我們解釋暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)粒子可以形成玻色星。這是個奇怪的想法，但我們還不能排除。

相關(guān)知識

引力波是時空曲率中的擾動，由加速質(zhì)量產(chǎn)生，以光速從源頭向外傳播。1905年亨利?龐加萊[1]提出了引力波，隨后阿爾伯特?愛因斯坦（Albert Einstein）在其廣義相對論的基礎(chǔ)上于1916年[2][3]預(yù)言了引力波，引力波以引力輻射的形式傳輸能量，這種輻射能的形式類似于電磁輻射。[6]作為經(jīng)典力學(xué)的一部分，牛頓萬有引力定律下并沒有引力波存在的依據(jù)，因為這一定律是建立在物理相互作用瞬間（以無限速度）傳播的假設(shè)之上的——這表明經(jīng)典物理學(xué)的方法無法解釋與相對論有關(guān)的現(xiàn)象。

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引力波存在的第一個間接證據(jù)來自觀測到的Hulse–Taylor二元脈沖星的軌道衰變，這與廣義相對論預(yù)測的由于引力輻射而失去能量的衰變相吻合。1993年，Russell A.Hulse和Joseph Hooton Taylor Jr.因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎。直到2015年，利文斯頓和漢福德的LIGO引力波探測器接收到兩個黑洞合并產(chǎn)生的信號，才首次對引力波進(jìn)行了直接觀測。2017年諾貝爾物理學(xué)獎隨后頒給雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什，表彰他們在直接探測引力波方面所發(fā)揮的作用。

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作者：BRIAN KOBERLEIN

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FY：Astronomical volunteer team

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