史上首次！“不可能质量”黑洞被发现，LIGO-Virgo探测到迄今最强引力波源

Original 科研圈科研圈 2021-04-11

引力波探测器 LIGO/Virgo 发现了一个 142 倍太阳质量的黑洞，这是天文学家首次观测到中等质量黑洞，也是目前借助引力波观测到的最大的黑洞。

这个黑洞由两个质量分别为 85 倍和 65 倍太阳质量的黑洞合并而成，这也对目前的黑洞形成理论提出了挑战，因为理论预测 85 倍太阳质量的黑洞是不可能存在的。

相关研究今日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《天体物理学期刊通讯》（Astrophysical Journal Letters）发表，这一发现将帮助我们更好地认识位于一些星系中央的超大质量黑洞。

图片来源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

来源 MIT 等

编译王千玥 戚译引

看似空旷无垠的宇宙中，其实充满了引力波弦音一般的回响。引力波由极端天文物理现象产生，在时空中激起圈圈涟漪，就像宇宙中的铃铛将声音传播出去一样。这一次，研究人员听到了一声巨响。

这次事件是使用引力波观测到的规模最大的黑洞合并事件，其形成的 142 倍太阳质量黑洞也是第一个被清晰探测到的中等质量黑洞（即质量为太阳质量的 100 倍至 1000 倍的黑洞）。这个黑洞由两个质量分别为 85 倍和 65 倍太阳质量的黑洞合并而成，这也对目前的黑洞形成理论提出了挑战：根据目前理论， 85 倍太阳质量的黑洞不可能存在。

这个引力波信号于 2019 年 5 月 21 日分别被位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和位于意大利的 Virgo 干涉仪探测到，因此研究人员将其命名为 GW190521。

今日，LIGO 和 Virgo 科学家团队在国际期刊上发表两篇论文，报告对该信号对研究成果。一篇发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），详细叙述了引力波信号的发现过程；另一篇发表于《天体物理学期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上，讨论了信号的物理性质和天文物理学意义。

令人疑惑的质量空缺

此前，天体物理学家观测到的所有黑洞可以分为两类：恒星级黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞质量为太阳质量的几倍至几十倍，一般认为是质量大的恒星死去后形成的；而超大质量黑洞的质量达到太阳的几百倍、几千倍甚至数十亿倍，在银河系的中心就存在一个这样的黑洞。然而，释放这一引力波信号的最终黑洞质量为太阳质量的 142 倍，处在恒星级黑洞和超大质量黑洞之间。

根据恒星演化物理，恒星的核中的光子和气体产生向外的压力，平衡了促使横行物质向内的重力，从而保持稳定状态，例如太阳。而当恒星内部的重元素原子（例如铁）发生聚变后，它将无法产生能够支撑外层的压力。而当向外的压力小于重力时，恒星会在自身重量的作用下坍塌，发生核坍缩超新星爆炸（core-collapse supernova），进而形成黑洞。

图片来源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

这个过程可以解释 130 倍太阳质量的恒星如何形成最高为 65 倍太阳质量的黑洞。但对于更重的恒星来说，对不稳定性（pair instability）现象也是要考虑的因素。当恒星核中的光子能量极高时，它们会形成电子和反电子对。这些正反电子对产生的压力比光子小，使得恒星更不稳定，更容易发生引力坍缩，进而产生足以摧毁一切的剧烈爆炸。即便是质量更大的恒星，比如 200 倍太阳质量，最终也会坍缩成为至少为太阳质量 120 倍的黑洞。因此，坍缩的恒星不会产生质量在太阳质量 65 倍至 120 倍之间的黑洞，这个范围称为对不稳定性空缺（pair instability mass gap）。

但是现在，发出 GW190521 引力波信号的两个黑洞里较重的一个质量为太阳质量的 85 倍，是目前为止探测到的第一个质量落在这一区间的黑洞。

Virgo 成员、来自法国国家科学研究中心（CNRS）的研究员 Nelson Christensen 表示：“我们观察到了质量落在这个区间的黑洞，这个事实足以使很多天文物理学家抓耳挠腮，尝试去研究这些黑洞的起源。”

一种可能性是第二篇文章提到的分级合并（hierarchical merger）：在相互接近并发生合并之前，两个原始黑洞分别由更小的两个黑洞合并而成。

“这个天文物理事件引发的疑问比它回答的问题要多，”加州理工学院物理学教授、LIGO 成员 Alan Weinstein 说，“从探索和物理学的角度看，这是件令人激动的事。”

强大的信号

此信号持续时间极短，还不足 0.1 秒。研究人员推测，GW190521 引力波信号来自距地球 5 吉秒差距（gigaparsec）外的星系，反映了宇宙年龄相当于目前一半时的状态，经历了 70 亿年的旅程才抵达地球。这也是目前探测到的最遥远的引力波源。

至于信号的来源，科学家根据先进的计算建模工具，推测 GW190521 最有可能是具有特殊性质的双黑洞合并时产生的信号。目前为止，几乎所有确认的引力波信号均来自于双星合并，包括双黑洞合并和双中子星合并。

LIGO-Virgo 团队还分别测量了这两个黑洞的自转情况，发现随着黑洞旋转着相互靠近，它们各自的自转轴可能会偏离轨道的轴向。当这两个庞然大物不断旋转着相互靠近时，轴的错位会导致它们的轨道摇摆不定，或者说发生进动。

这次合并产生了一个质量更大的黑洞，质量约为太阳的 142 倍，可以以引力波的形式向宇宙释放出相当于太阳质量 8 倍的巨大能量。Christensen 表示：“这和我们通常探测到的啁啾声一般的信号不一样。”和 LIGO 于 2015 年第一次探测到的引力波对比，“这个信号如同一声巨响，是 LIGO 和 Virgo 目前为止发现的最强大的信号源。”

“意料之外”

LIGO 项目由美国国家科学基金会（NSF）资助，其装置由一对长 4 千米的干涉仪构成。“LIGO 再次给我们带来了惊喜。不仅仅是因为它探测到了尺寸难以解释的黑洞，更因为它用的技术并不是特意为研究星系合并而设计的，” NSF 引力物理项目主任 Pedro Marronetti 评价道，“这点意义重大，它向我们展示了仪器具有探测到来自人类未预见的天文物理事件信号的能力。LIGO 告诉我们它可以观测我们意想不到的现象。”

当 LIGO 和 Virgo 探测器探测穿过地球的引力波信号时，自动搜索程序会梳理输入数据，寻找研究人员感兴趣的信号。搜索方法有两种：一是用算法寻找可能由两个致密星体构成的系统产生的数据模式，二是更普遍的“突发搜索”（burst searches），寻找一切异常的信号。

LIGO 成员、麻省理工学院（MIT）物理学助理教授 Salvatore Vitale 把寻找特定模式的算法比喻成“用梳子穿过数据，总会捕捉到一些特定形状的东西”，而突发搜索是一种更加通用的方法。

在 GW190521 信号的发现中，正是第二种方法挑选出了更清晰一点的信号，发现这种引力波来自除双星合并以外其他来源的可能性很小。

“断言我们发现新东西的门槛很高，” Weinstein 表示，“我们一贯遵循奥卡姆剃刀原则：解释越简单越好，就 GW190521 信号而言，最好的解释便是双黑洞（合并）。”

但是，如果这次的引力波信号来自于一个全新的天体呢？这是个令人着迷的前景，在发表的文章中，科学家们也简短地考虑了其他可能的引力波源。比如它可能是由银河系的某颗正在坍塌的恒星发出的，或者来自宇宙早期产生的弦。不过这些假说对数据的吻合度并不如双黑洞合并假说。

“自从 LIGO 投入使用以来，所有可信度高的观测均为黑洞或中子星的碰撞。” Weinstein 还表示，“在这个现象中，我们的分析表明它有可能不是一次这样的碰撞。尽管这一现象与具有独特质量的双黑洞合并事件相一致，其他解释不被看好，它仍使我们增强了自信。这是件令人兴奋的事。因为我们都期待着找到新事物，渴望发现意料之外的现象来对我们已有的知识提出挑战。而这个天文发现就做到了这点。”

论文信息：