原标题:LIGO测到最强信号!人类首次发现中等质量黑洞,带来谜团

如果说早在2015年,激光引力波干涉天文台(LIGO)首次听到的双黑洞并合事件如同一声“啁啾”鸟鸣,那么2019年5月21日,他们和意大利处女座引力波天文台(Virgo)联合探测到的引力波信号无异于一记“轰”鸣。

是多重的天体才能闹出这么大的动静?根据9月3日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)和《天体物理学期刊通讯》(Astrophysical Journal Letters)上的两篇论文,这是两个分别约为 85 倍和 65 倍太阳质量的黑洞合并而成了一个142倍太阳质量的黑洞,中间损失的等同8倍太阳质量的能量以引力波的形式在宇宙中扩散出来。

这个只持续了不到0.1秒的信号创造了多个纪录,却也带来了巨大的谜团。

这是LIGO探测到的质量最大的黑洞并合事件;

这是LIGO探测到的最远的引力波信号,远在50亿秒差距(1秒差距约等于3.26光年)之外,光传输就要花上70亿年,这意味着事件发生时,宇宙的年龄还只有现在的一半;

这是人类首次发现质量介于100到100000倍太阳质量之间的黑洞,即所谓的中等质量黑洞;

最后,根据现有的黑洞演化理论,85倍太阳质量的黑洞“不可能”出现。

中等质量黑洞

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论,被形象地比喻为“时空的涟漪”。时间和空间会在质量面前弯曲,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动传播开来,这些振动就是引力波。绝大多数信号传播到地球上就变得弱不可闻,除非是黑洞并合、中子星并合这样的宇宙重量级“消消乐”。

LIGO首次探测到的引力波信号,就来自两个分别为36倍和29倍太阳质量的黑洞,并合为62倍太阳质量黑洞

一颗恒星逃不出三种宿命:白矮星、中子星和黑洞。

白矮星有点像“熄灭”了的灰烬,低光度、高密度、高温度,我们的太阳数十亿年后结局大概如此。

但对更高质量的恒星而言,它们在寿命尽头可能会发生超新星爆炸,爆炸后如果还有残骸剩余,要么是极端致密的中子星,要么就是引力大到光线也无法逃逸的黑洞。

这一类由恒星演化而成的黑洞,我们称为恒星级黑洞,也是天体物理中最小的一类黑洞,质量通常在3倍至100倍太阳之间。最大的一类则是星系中心的超大质量黑洞。例如,银河系中心就有一个约为430万倍太阳质量的超大质量黑洞人马座a*。介于两者之间的称为中等质量黑洞,此前没有过直接的电磁波观测证据。

中等质量黑洞的存在有可能帮我们解答一个悬疑已久的宇宙学问题:超大质量黑洞究竟是怎么来的?一种解释是,这些庞然大物是由中等质量黑洞反复合体形成的。

质量断档

有趣的是,比起142这个数字,科学家们可能会更惊诧于两颗“原生”黑洞里有一颗竟然达到了85倍太阳质量。

原来,恒星之所以能保持稳定,是星核中的光子和气体产生向外的压力,平衡了向内的引力。等到恒星把铁这一类重元素也聚变后,产生的向外压力就不足以对抗引力了。恒星会在自身重量的作用下坍塌,发生核坍缩超新星爆炸,进而形成黑洞。

然而,对于更重一些的恒星来说,现有的物理学理论还要考虑对不稳定性(pairinstability)现象。这是说,恒星核中的光子在能量极高时会形成一对电子和反电子。这些正反电子对产生的对外压力比光子小,使得恒星更不稳定,容易发生非常剧烈的爆炸,损失掉大量能量。根据这样的理论预计,恒星是不可能坍缩成65倍至120倍太阳质量的黑洞,这个质量范围称为对不稳定性断档。

那85倍太阳质量黑洞到底是怎么来的?也许,它也是由两个质量更小的前身黑洞并合形成的?

LIGO 成员、加州理工学院教授阿兰·魏施坦(Alan Weinstein)说道:“这个天文物理事件提出的问题比它回答的问题还要多。”

Virgo成员、法国国家科学研究中心(CNRS)研究员NelsonChristensen则表示,质量落在这个区间的黑洞足以让很多天体物理学家抓耳挠腮。

甚至,这个引力波信号根本就不来自于黑洞?研究人员也在论文里提及了其他“脑洞”,比如这其实是我们银河系内一颗正在坍缩的恒星,或是宇宙早期的宇宙弦,但信号与相应理论的吻合程度都不高。

因此,科学家们最后选择采用奥卡姆剃刀原则:最简单的双黑洞并合解释,目前就是最好的。