引力波探測(cè)結(jié)果顯示，并合黑洞的質(zhì)量屬于“禁區(qū)”范圍。

天文學(xué)家利用引力波探測(cè)到了迄今為止最強(qiáng)大、最遙遠(yuǎn)、最令人費(fèi)解的黑洞碰撞。這兩個(gè)龐然大物在宇宙年齡只有現(xiàn)在一半時(shí)發(fā)生了融合，至少有一個(gè)黑洞重達(dá)太陽的85倍——天文學(xué)家曾認(rèn)為這么大的質(zhì)量不會(huì)發(fā)生此類事件。根據(jù)研究人員的估計(jì)，這次并合產(chǎn)生了一個(gè)將近150倍太陽質(zhì)量的黑洞，而這個(gè)質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞之前從來沒有確定性地觀測(cè)到過。

澳大利亞莫納什大學(xué)的理論天體物理學(xué)家Ilya Mandel稱其是“超出預(yù)期的奇妙發(fā)現(xiàn)”。

描述此次事件的兩篇論文已于9月2日發(fā)表[1,2]，事件由美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的兩臺(tái)探測(cè)器和意大利稍小的室女座引力波探測(cè)器（Virgo）在2019年5月21日檢測(cè)到，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)時(shí)間命名為“GW190521”。

質(zhì)量禁區(qū)

2015年至今，LIGO和Virgo通過探測(cè)引力波帶來了關(guān)于宇宙的全新認(rèn)識(shí)。這些時(shí)空漣漪能揭示一些很難觀測(cè)到的事件，比如用普通望遠(yuǎn)鏡通常難以發(fā)現(xiàn)的黑洞并合。

根據(jù)引力波的性質(zhì)，比如頻率變化，天體物理學(xué)家就能估算出在繞旋并合過程中產(chǎn)生這些引力波的天體的大小和其他性質(zhì)。這種方法徹底改變了黑洞研究，為幾十個(gè)黑洞提供了直接證據(jù)，這些黑洞的質(zhì)量從太陽質(zhì)量的幾倍到約50倍不等。

這些質(zhì)量與“傳統(tǒng)”方式形成的黑洞相符，所謂傳統(tǒng)方式是指非常大的恒星在燃料燃盡時(shí)，在自身重量作用下發(fā)生坍縮。但傳統(tǒng)理論認(rèn)為，恒星坍縮不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量在65倍到120倍太陽質(zhì)量的黑洞。這是因?yàn)樵诮咏鼔勖K點(diǎn)時(shí)，特定大小范圍內(nèi)的恒星的中央會(huì)變得非常熾熱，會(huì)開始把光子變成粒子和反粒子對(duì)，這種現(xiàn)象也被稱為對(duì)不穩(wěn)定性（pair instability）。對(duì)不穩(wěn)定性會(huì)引發(fā)氧原子核聚變爆炸，讓整個(gè)恒星四分五裂，完全瓦解。

在最新發(fā)現(xiàn)中，LIGO和Virgo探測(cè)器只捕獲到了繞旋并合的黑洞產(chǎn)生的最后四次引力波，頻率在1/10秒內(nèi)從30赫茲增加到80赫茲。相對(duì)偏小的黑洞會(huì)繼續(xù)向更高的頻率上調(diào)，但非常大的黑洞會(huì)更快并合，幾乎不會(huì)進(jìn)入探測(cè)器最靈敏的低頻范圍。

在本次事件中，兩個(gè)黑洞的質(zhì)量估計(jì)是太陽質(zhì)量的85倍和66倍?！斑@基本落在了我們所說的對(duì)不穩(wěn)定性質(zhì)量間隙（pair-instability mass gap）內(nèi)?！泵绹?guó)西北大學(xué)的LIGO天體物理學(xué)家Christopher Berry說。

哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家Selma de Mink把對(duì)不穩(wěn)定性的下限放得更低，大概在45倍太陽質(zhì)量，這讓兩個(gè)天體中較輕的那一個(gè)也鐵定進(jìn)入了禁區(qū)?！霸谖铱磥?，兩個(gè)黑洞都大得離譜?！彼f。

非主流黑洞

為了對(duì)觀測(cè)結(jié)果作出解釋，LIGO研究團(tuán)隊(duì)考慮了各種可能性，包括這兩個(gè)黑洞可能在時(shí)間之初就存在了。幾十年來，研究人員一直推測(cè)在大爆炸之后不久可能同時(shí)形成了這種大小不一的“原初”黑洞。

研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)的主要情景是，這些黑洞之所以變得這么大，是因?yàn)樗鼈儽旧硪瞾碜灾昂诙吹牟⒑?。恒星坍縮形成的黑洞應(yīng)該充斥在致密星團(tuán)中，原則上可以經(jīng)歷反復(fù)并合。但即使是這種場(chǎng)景，也是不確定的，因?yàn)槭状尾⒑虾蟮暮诙?，一般?huì)被引力波“踢”一下，把自己從星團(tuán)里拋射出來。只有在極少數(shù)情況下，這個(gè)黑洞會(huì)依舊停留在可能再次發(fā)生并合的區(qū)域里。

如果這些黑洞停留在它們所在星系十分擁擠的中央?yún)^(qū)域，后續(xù)并合就更有可能發(fā)生，de Mink說，那里的引力足夠強(qiáng)，可以防止反沖天體被拋射出去。

尚不清楚這次并合究竟發(fā)生在哪個(gè)星系。但一組研究人員發(fā)現(xiàn)，太空中同一個(gè)區(qū)域的一個(gè)類星體——由一個(gè)超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)的一個(gè)異常明亮的星系中心——在GW190521發(fā)生約一個(gè)月后產(chǎn)生了耀斑現(xiàn)象[3]。耀斑可能是反沖黑洞產(chǎn)生的類星體高溫氣體中的一個(gè)激波，但許多天文學(xué)家對(duì)這兩個(gè)現(xiàn)象的相關(guān)性持謹(jǐn)慎態(tài)度。

這是LIGO-Virgo合作團(tuán)隊(duì)今年第二次涉足質(zhì)量“禁區(qū)”了 。今年6月，他們描述了一個(gè)涉及約2.6倍太陽質(zhì)量的天體的并合事件——這個(gè)質(zhì)量一般對(duì)于黑洞來說太輕了，對(duì)于中子星來說又太重了[4]。

參考文獻(xiàn)：

1. Abbott, R. et al. Phys. Rev. Lett. https:///10.1103/PhysRevLett.125.101102 (2020).

2. Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https:///10.3847/2041-8213/aba493 (2020).

3. Graham, M.?J. et al. Phys. Rev. Lett.124, 251102 (2020)

4. Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https:///10.3847/2041-8213/ab960f (2020).

原文以‘It’s mindboggling!’: astronomers detect most powerful black-hole collision yet為標(biāo)題發(fā)表在2020年9月2日的《自然》新聞版塊