引力波由極端的天體物理現(xiàn)象產(chǎn)生，像宇宙鐘聲一樣“震撼著”時(shí)空的結(jié)構(gòu)，即大家耳熟的時(shí)空漣漪?，F(xiàn)在，天文學(xué)家在引力波中探測(cè)到了可能是迄今觀察到的最大質(zhì)量黑洞合并信號(hào)。

合并結(jié)果是首次清晰探測(cè)到質(zhì)量介于太陽(yáng)100倍到1000倍之間的“中等質(zhì)量”黑洞。天文學(xué)家激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)和室女座(Virgo)探測(cè)到了這個(gè)信號(hào)，并將其標(biāo)記為GW190521。

LIGO是一對(duì)相同4公里長(zhǎng)的干涉儀，而室女座是一個(gè)3公里長(zhǎng)的探測(cè)器。這個(gè)信號(hào)類(lèi)似于四次短暫的擺動(dòng)，持續(xù)時(shí)間極短，持續(xù)時(shí)間不到十分之一秒。這個(gè)引力波源產(chǎn)生時(shí)，當(dāng)時(shí)宇宙的年齡約為其年齡的一半，使其成為迄今為止檢測(cè)到最遠(yuǎn)的引力波源之一。至于是什么產(chǎn)生了這個(gè)信號(hào)，基于一套強(qiáng)大最先進(jìn)的計(jì)算和建模工具，科學(xué)家們認(rèn)為GW190521最有可能是由具有不尋常性質(zhì)的雙星黑洞合并產(chǎn)生。

到目前為止，幾乎每一個(gè)被證實(shí)的引力波信號(hào)都來(lái)自于兩個(gè)黑洞或兩顆中子星之間的雙星合并。這次最新發(fā)現(xiàn)的合并似乎是迄今為止探測(cè)到的最大一次合并，涉及兩個(gè)質(zhì)量分別為太陽(yáng)85倍和66倍的黑洞。LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)還測(cè)量了每個(gè)黑洞的自轉(zhuǎn)，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)黑洞越來(lái)越近地圍繞著自己的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們可能是在繞著自己的軸旋轉(zhuǎn)，角度與其軌道軸不對(duì)齊。當(dāng)兩個(gè)黑洞互相盤(pán)旋時(shí)，黑洞未對(duì)齊的自轉(zhuǎn)很可能導(dǎo)致它們的軌道搖擺，或稱(chēng)“進(jìn)動(dòng)”。

迄今最強(qiáng)引力波

新信號(hào)很可能代表了兩個(gè)黑洞合并的瞬間，這次合并創(chuàng)造了一個(gè)質(zhì)量更大的黑洞，大約有142個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，并以引力波的形式釋放出巨大能量，相當(dāng)于釋放大約8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，以引力波的形式傳播到整個(gè)宇宙。室女座團(tuán)隊(duì)成員、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)研究員尼爾森·克里斯滕森(Nelson Christensen)說(shuō)：這看起來(lái)不太像我們通常探測(cè)到的引力波。

將這個(gè)信號(hào)與LIGO在2015年首次探測(cè)到的引力波進(jìn)行了比較，這更像是‘砰’的一聲，這是LIGO和處女座見(jiàn)過(guò)的最強(qiáng)大信號(hào)。組成LIGO科學(xué)合作(LSC)和室女座合作的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，在在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊和《天體物理學(xué)》期刊上發(fā)表了其研究發(fā)現(xiàn)，并討論了該信號(hào)的物理性質(zhì)和天體物理意義。國(guó)家科學(xué)基金會(huì)引力物理項(xiàng)目主任佩德羅·馬羅內(nèi)蒂(Pedro Marronetti)表示：

LIGO再一次讓我們感到驚訝，不僅探測(cè)到了難以解釋的大小黑洞，而且還使用了并非專(zhuān)門(mén)為恒星合并設(shè)計(jì)的技術(shù)。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗故玖藘x器從完全不可預(yù)見(jiàn)天體物理事件中探測(cè)信號(hào)的能力，LIGO表明，它也可以觀察到意想不到的情況。這兩個(gè)合并黑洞中獨(dú)特的大質(zhì)量，以及最終合并出來(lái)的更大黑洞，提出了一系列關(guān)于它們形成的問(wèn)題。到目前為止觀察到的所有黑洞，都符合兩種類(lèi)型中的任何一種：恒星質(zhì)量黑洞，測(cè)量質(zhì)量從幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量到幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

一系列新問(wèn)題

恒星質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是在大質(zhì)量恒星死亡時(shí)形成；超大質(zhì)量黑洞，比如銀河系中心的那個(gè)，從數(shù)十萬(wàn)到數(shù)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量。然而，由GW190521合并產(chǎn)生的一個(gè)142太陽(yáng)質(zhì)量黑洞，位于恒星質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞之間的中等質(zhì)量范圍內(nèi)，所以這是有史以來(lái)第一個(gè)被檢測(cè)到的此類(lèi)黑洞。產(chǎn)生最終黑洞的兩個(gè)前身黑洞似乎在大小上也是獨(dú)一無(wú)二的，它們的質(zhì)量如此之大，以至于科學(xué)家們懷疑它們中的一個(gè)或兩個(gè)可能不像大多數(shù)恒星質(zhì)量黑洞那樣是由坍塌的恒星形成。

根據(jù)恒星演化的物理學(xué)，恒星核心中的光子和氣體向外的壓力支持它抵御向內(nèi)推動(dòng)的引力，因此恒星像太陽(yáng)一樣是穩(wěn)定的。當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星的核心融合了像鐵一樣重的原子核后，它就不能再產(chǎn)生足夠的壓力來(lái)支撐外層。當(dāng)這種向外的壓力小于引力時(shí)，恒星會(huì)在自身重量下坍塌，這種爆炸被稱(chēng)為核心塌陷超新星，可能會(huì)留下一個(gè)黑洞。這個(gè)過(guò)程可以解釋質(zhì)量為130個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星是如何產(chǎn)生高達(dá)65個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量黑洞。

但對(duì)于較重的恒星，一種被稱(chēng)為“不穩(wěn)定對(duì)”的現(xiàn)象，被認(rèn)為是起作用的。當(dāng)恒星核心的光子變得極具能量時(shí)，它們可以變形成電子和反電子對(duì)。這些對(duì)產(chǎn)生的壓力比光子少，導(dǎo)致恒星在引力坍塌時(shí)變得不穩(wěn)定，由此產(chǎn)生的爆炸足夠強(qiáng)烈，不會(huì)留下任何東西。更大質(zhì)量的恒星，超過(guò)200個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，最終會(huì)直接塌縮成一個(gè)至少有120個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。那么，一顆坍塌的恒星應(yīng)該不會(huì)在大約65到120個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間產(chǎn)生黑洞，這個(gè)范圍被稱(chēng)為“不穩(wěn)定對(duì)質(zhì)量間隙”。

恒星演化物理學(xué)

但現(xiàn)在，產(chǎn)生GW190521信號(hào)兩個(gè)黑洞中較重的一個(gè)，質(zhì)量為85個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，是迄今為止在對(duì)子不穩(wěn)定質(zhì)量間隙內(nèi)檢測(cè)到的第一個(gè)黑洞。尼斯天文臺(tái)阿爾特彌斯實(shí)驗(yàn)室主任克里斯滕森說(shuō)：我們?cè)谶@個(gè)質(zhì)量間隙中看到了一個(gè)黑洞，這一事實(shí)會(huì)讓很多天體物理學(xué)家撓頭，試圖弄清楚這些黑洞是如何形成的。研究人員慮到的一種可能性是分層合并，即兩個(gè)前身黑洞本身可能是由兩個(gè)較小的黑洞合并而成，然后一起遷移并最終合并。

LIGO成員、加州理工大學(xué)物理學(xué)教授艾倫·溫斯坦(Alan Weinstein)說(shuō)：這次發(fā)現(xiàn)提出的問(wèn)題多于提供的答案，從發(fā)現(xiàn)和物理學(xué)的角度來(lái)看，這是一件非常令人興奮的事情，關(guān)于GW190521引力波信號(hào)還有許多剩余問(wèn)題。當(dāng)LIGO和室女座探測(cè)器監(jiān)聽(tīng)通過(guò)地球的引力波時(shí)，自動(dòng)搜索會(huì)梳理傳入的數(shù)據(jù)，以尋找感興趣的信號(hào)。這些搜索可以使用兩種不同的方法：在數(shù)據(jù)中挑選出可能由雙星系統(tǒng)產(chǎn)生的特定波形算法

以及更一般的“突發(fā)”搜索，本質(zhì)上是尋找任何不尋常的東西。LIGO成員、麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授塞爾瓦托·維塔萊將雙星搜索比作“通過(guò)數(shù)據(jù)梳理，可以捕捉到一定間隔內(nèi)的東西”，而不是更像是“包羅萬(wàn)象”的突發(fā)搜索。在GW190521引力波的情況下，是一次爆發(fā)搜索稍微更清楚地捕捉到了信號(hào)，打開(kāi)了引力波來(lái)自非雙星合并的極小可能性。也許發(fā)現(xiàn)新東西的門(mén)檻非常高，因此，科學(xué)家通常使用奧卡姆剃刀。

意想不到的可能

但是如果有全新的東西產(chǎn)生了這些引力波呢？這是一個(gè)誘人的前景，在研究論文中，科學(xué)家們簡(jiǎn)要地考慮了宇宙中可能產(chǎn)生所探測(cè)到信號(hào)的其他來(lái)源。例如，也許引力波是由銀河系中一顆坍塌的恒星發(fā)出。信號(hào)也可能來(lái)自宇宙在最早時(shí)刻膨脹之后產(chǎn)生的宇宙弦，盡管這兩種奇特的可能性都不能與數(shù)據(jù)以及雙星黑洞合并相匹配?？茖W(xué)家自從第一次打開(kāi)LIGO以來(lái)，信心十足地觀察到的一切都是黑洞或中子星的碰撞產(chǎn)生引力波。

研究分析認(rèn)為，這一事件可能不是這樣的碰撞，盡管這一事件與來(lái)自異常大質(zhì)量雙星黑洞合并的可能性一致，而且不贊成其他解釋?zhuān)谕黄铺煳膶W(xué)家信心的界限。這可能會(huì)讓它變得極其令人興奮，因?yàn)榭茖W(xué)家們都希望有一些新的、意想不到的東西被發(fā)現(xiàn)，這可能會(huì)挑戰(zhàn)我們已知的東西。

博科園｜研究/來(lái)自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》《天體物理學(xué)》

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