宇宙的聲音，簡短有力，講述著黑洞長大的故事

引力波天文臺(tái)探測(cè)到了目前為止最大質(zhì)量的黑洞發(fā)生的并合事件，這或許會(huì)改變我們對(duì)黑洞形成的認(rèn)知。

我們通過引力波所觀測(cè)到的，有史以來最大質(zhì)量的雙黑洞碰撞事件所引起的時(shí)空漣漪。

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

2019年5月21日，格林尼治時(shí)間3時(shí)2分29秒（北京時(shí)間21日11時(shí)2分29秒），美國的LIGO引力波探測(cè)器以及歐洲的Virgo引力波探測(cè)器共同觀測(cè)到一個(gè)微小的時(shí)空漣漪，證明了中等質(zhì)量黑洞的存在。這次的引力波信號(hào)也向天體物理學(xué)家講述了這些“貪吃”的大天體如何生長的故事。

“這實(shí)在是無比的激動(dòng)人心！”普林斯頓大學(xué)的一位黑洞研究員Jenny Greene說。

這個(gè)持續(xù)時(shí)長僅0.1秒的引力波信號(hào)，被命名為GW190521。大約七十億年前，在一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系當(dāng)中，兩個(gè)恒星級(jí)黑洞在發(fā)生碰撞與融合，最終形成一個(gè)142倍太陽質(zhì)量的龐然大物的時(shí)候，發(fā)出了這段信號(hào)。這個(gè)142倍太陽質(zhì)量的黑洞，是我們目前為止通過引力波探測(cè)到的最大質(zhì)量的黑洞。這樣的融合事件暗示著，黑洞其實(shí)可以通過碰撞與融合逐漸“生長”，或許甚至可以通過數(shù)次這樣的事件，最終形成那些位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。

來自荷蘭烏得勒支大學(xué)，同時(shí)也是Virgo團(tuán)隊(duì)成員的Chris van Den Broeck表示，這次的引力波信號(hào)較短的持續(xù)時(shí)間和較低的頻率，都讓它的來源變得難以確定。有很多種推測(cè)都可以較為合理地解釋這段信號(hào)，即使有的推測(cè)顯得比較奇異。然而，這段信號(hào)最有可能的來源仍舊是雙黑洞并合事件。關(guān)于這段信號(hào)更加詳細(xì)的分析已經(jīng)于2019年9月2日在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)布。文章中指出，這次發(fā)生碰撞的兩顆黑洞都具有史無前例的較大質(zhì)量，分別為66倍太陽質(zhì)量和85倍太陽質(zhì)量。

使用引力波探測(cè)到的，最大質(zhì)量的雙黑洞碰撞引起的時(shí)空漣漪

圖片來源：Deborah Ferguson / Karan Jani / Deirdre Shoemaker / Pablo Laguna / Georgia Tech / MAYA Collaboration

已有的天文學(xué)知識(shí)告訴我們，超新星爆發(fā)后產(chǎn)生的黑洞的質(zhì)量，不會(huì)處在65倍太陽質(zhì)量與120倍太陽質(zhì)量之間。如果要產(chǎn)生處在這個(gè)質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞，那么原始恒星的質(zhì)量就需要在130倍太陽質(zhì)量與200倍太陽質(zhì)量之間。然而，如此大質(zhì)量的恒星在演化的過程中，會(huì)受到“對(duì)不穩(wěn)定性”過程的影響。這種過程會(huì)將恒星完全炸開，難以留下什么殘余。

因此，在這次黑洞并合事件中，至少那一顆85倍太陽質(zhì)量的黑洞——或許那顆66倍太陽質(zhì)量的黑洞也是一樣——可以肯定是以一種完全不同的方式形成的?；蛟S，它也來自于一次發(fā)生時(shí)間更早的融合事件。“一顆85倍太陽質(zhì)量的黑洞不會(huì)是直接產(chǎn)生的。這或許正提醒我們，在像球狀星團(tuán)這樣較為擁擠的環(huán)境中，或許一直在發(fā)生這種逐級(jí)的融合事件?！?/p>

這一次的引力波探測(cè)結(jié)果，不僅僅意味著人們首次觀察到了一顆處于“對(duì)不穩(wěn)定性質(zhì)量范圍”中的黑洞。這次融合事件的結(jié)果，也是人類第一次通過可靠的觀測(cè)手段找到了超過100倍太陽質(zhì)量的黑洞?！斑@些都是我們一直在尋找的，形成那些超大質(zhì)量黑洞的‘種子’?！眮碜员本┐髮W(xué)的何子山教授這樣說。

這幅圖展示了我們觀測(cè)到的黑洞與中子星的質(zhì)量分布。紫色代表使用電磁手段（光學(xué)或射電觀測(cè)）找到的黑洞，藍(lán)色代表通過引力波探測(cè)到的黑洞，黃色代表使用電磁手段觀測(cè)到的中子星，橙色代表通過引力波探測(cè)到的中子星。本次探測(cè)到的GW190521突出顯示在圖片的中央部分，因?yàn)檫@一次，兩顆黑洞并合后產(chǎn)生的是我們有史以來通過引力波探測(cè)到的最大質(zhì)量的黑洞。

圖片來源：LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller

中等質(zhì)量黑洞填補(bǔ)了恒星質(zhì)量黑洞與超大質(zhì)量黑洞之間的間隙。恒星質(zhì)量黑洞一般在超新星爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生，而超大質(zhì)量黑洞一般可以在星系中心觀察到，它們可以重達(dá)數(shù)百萬或數(shù)十億倍的太陽質(zhì)量。根據(jù)同時(shí)發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上的一篇報(bào)道，這一次觀測(cè)到的GW190521事件證明了中等質(zhì)量黑洞可以來源于兩個(gè)較小質(zhì)量黑洞的融合。這意味著，中等質(zhì)量黑洞或許真的就是我們?cè)谕茰y(cè)超大質(zhì)量黑洞形成過程時(shí)缺失的一環(huán)。

然而，Strader指出，超大質(zhì)量黑洞形成的逐級(jí)融合理論同樣存在自己的問題。模擬的結(jié)果表明，融合事件的產(chǎn)物大多會(huì)從物質(zhì)分布比較致密的環(huán)境中噴出，而那些物質(zhì)分布致密的環(huán)境，才是逐級(jí)的融合事件需要發(fā)生的地方。“我猜想，像GW190521這樣的事件并不與超大質(zhì)量黑洞的形成相關(guān)。超大質(zhì)量黑洞或許需要由更大質(zhì)量的原料形成，或者它們的形成根本就是依賴最初的氣體吸積過程而非融合。”他說。

Greene研究員近期與Strander和何子山教授共同在《年度回顧》期刊上共同發(fā)表了一篇關(guān)于中等質(zhì)量黑洞的綜述。她認(rèn)為，目前提出的所有超大質(zhì)量黑洞形成的理論都存在自己的問題。“我們不可能有足夠的運(yùn)氣，去得出‘所有中等質(zhì)量黑洞都是通過同一種過程形成’的結(jié)論?！彼f，“然而，如果我們可以肯定地說，一系列的黑洞融合事件是可以發(fā)生的，我們確實(shí)會(huì)得到一些非常重要的新知?！?/p>

Van Den Broeck指出，未來的引力波探測(cè)設(shè)備，例如歐洲提出的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，以及美國提出的宇宙探索者計(jì)劃，將有能力去探測(cè)更大質(zhì)量的黑洞的融合以及形成事件。它們將有可能探測(cè)到200倍到1000倍太陽質(zhì)量的黑洞的形成，而這些是目前的LIGO和Virgo探測(cè)器由于波段限制而無法做到的。最終，天文學(xué)家或許能通過這些研究，揭開在宇宙的歷史中，這些中等質(zhì)量黑洞的誕生與發(fā)展的過程。

BY: GOVERT SCHILLING

FY: 莫語諶

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