LIGO探测到两大黑洞碰撞：形成“不可能质量”黑洞，是太阳142倍

图片来源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, and the SXS Collaboration

70亿年前，两个大黑洞碰撞在一起，形成了一个巨大的新黑洞。这是迄今为止在太空中探测到的最大的黑洞碰撞，而在碰撞中形成的新黑洞也是迄今为止探测到的最大的黑洞。事实上，因为太大了，物理学家根本不确定它是否存在。

穿越太空25亿年之后，这比太阳存在的时间还要长，两个大黑洞碰撞的涟漪被美国和意大利的两个激光干涉引力波天文台(LIGO)于2019年5月21日探测到。这些波纹揭示了至少两个黑洞合并的特征——一个质量是太阳85倍，另一个质量是太阳66倍。当它们相撞时，它们形成了一个质量是太阳142倍的黑洞。丢失的9个太阳的物质在碰撞中转化为能量，使宇宙剧烈震动，LIGO和Virgo都能探测到。这就是科学家们发现85倍太阳质量的黑洞和142倍太阳质量的黑洞能存在的原因。

Virgo合作小组成员尼尔森·克里斯坦森在一份声明中说:“这个(信号)看起来不像我们通常探测到的啾啾声。”“它更像是‘砰’的一声。”

在比以前探测到的任何引力波运行更长的时间之后，“砰声”只在大约十分之一秒的时间内震动了我们所在的空间区域。但是通过分析这种波的形状，研究人员了解了其中涉及的黑洞类型以及它们到底有多大。

到目前为止，黑洞分为两类：恒星质量的黑洞和超大质量的黑洞。

恒星质量的黑洞是由恒星坍缩形成的，其质量不会超过太阳的几十倍。这就是LIGO和Virgo之前探测到的正在合并的黑洞。

光谱的另一端是超大质量的黑洞，其质量是太阳的数百万倍或数十亿倍，其引力使其周围形成整个星系。银河系有一个，其它类似的星系也有一个。但科学家不确定它们从何而来，如何形成；他们也从未发现过如此巨大的黑洞的合并。

在超大质量黑洞和恒星质量黑洞之间有一个很大的“质量差距”，在这个质量范围内还没有发现任何黑洞。一种观点认为，超大质量黑洞是由恒星质量的黑洞合并产生的。但如果是这样的话，它们就必须穿过这个质量范围。恒星质量的黑洞会结合形成质量间隙黑洞，这些黑洞会不断结合直到变成超大质量的黑洞。但直到现在，科学家们还从未见过这种情况发生。

“天体物理学中最大的谜团之一是‘超大质量黑洞是如何形成的?’”研究报告的合著者、美国西北大学的物理学家克里斯托弗·贝瑞在一份声明中说。“它们就像房间里上百万个太阳质量的大象。它们是由恒星质量的黑洞(恒星坍缩时产生)产生的，还是通过一种未被发现的方式产生的?长期以来，我们一直在寻找一个中等质量的黑洞来填补恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间的差距。现在，我们有证据证明中等质量的黑洞确实存在。”

这一发现实际上揭示了黑洞可以存在于两个独立的质量间隙中。85倍太阳质量的黑洞正好符合“双不稳定”缺口。

研究人员认为，较轻的恒星之所以不会坍缩成黑洞，是因为其核心中光子和气体向外施加的压力使其膨胀到很大的体积。但在质量非常大的情况下，恒星核心的能量会将光子转换成电子和反电子对，它们一起产生的压力比光子要小。这意味着当恒星发生坍缩时，其过程是如此之快，能量如此之大，导致大部分质量被吹散到太空中。所以130个太阳质量的恒星可以坍缩形成66个太阳质量的黑洞。 

这种“双不稳定”的差距范围从66个太阳质量到120个太阳质量——在这个范围内，理论计算表明，坍缩的恒星不可能直接形成黑洞。2019年探测到的85个太阳质量的黑洞正好在这个范围内。最有可能的解释是，它是“第二代”黑洞，由两个较小的祖先形成。研究人员在研究中写道，这个质量是太阳66倍的黑洞也有可能是第二代黑洞。

142个太阳质量的黑洞落入另一个更大的质量缺口。一个质量超过120个太阳的黑洞，理论上可能是由非常大的坍缩恒星形成的。但是在那个范围内的黑洞还没有被探测到，而且直到现在，研究人员也不确定这种质量的黑洞是否存在，无论它们是如何形成的。但这个新的、142个太阳质量的黑洞正好落在这个范围内——介于恒星质量和超大质量之间。它证明了那种质量的黑洞是可以存在的。

研究人员写道，仍然有可能，这个信号并没有像研究人员假设的那样揭示出非常大的黑洞。

“如果某种全新的东西产生了这些引力波呢?”西北大学的另一位研究人员Vicky Kalogera在声明中说，“这是一个诱人的前景……例如，也许引力波是由我们星系中的一颗坍缩的恒星发出的。信号也可能来自宇宙膨胀初期产生的宇宙弦——尽管这两种奇异的可能性都不像这样符合数据。”

引力波天文学还很新，无法确定。研究人员写道，随着LIGO、Virgo和未来的探测器从新事件中收集到更多数据，图像将变得更加清晰。而这一事件，因为它预示着超大黑洞的存在，可能最终会变得更容易解释。

一篇描述这一发现的论文发表在9月2日的《物理评论快报》上，另一篇探讨其意义的论文也于同一日发表在《天体物理学杂志通讯》上。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://www.livescience.com/super-big-black-hole-crash.html

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.101102

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aba493