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出人意料的中等质量黑洞

作者:admin 2020-09-20 我要评论

首次现身的中等质量黑洞,可能会改变人们对于宇宙演化过程的认知。 黑洞的电脑合成图(视觉中国供图) 有人认为黑洞是宇宙中最完美的天体。人类单是通过广义相对...

首次现身的中等质量黑洞,可能会改变人们对于宇宙演化过程的认知。

黑洞的电脑合成图(视觉中国供图)

 

有人认为黑洞是宇宙中最完美的天体。人类单是通过广义相对论就在理论上推断出了黑洞的存在,而且只需要几个简单的参数就能够描述黑洞的性质——其中最重要的就是它的质量。尽管在理论上黑洞的性质比较简单,但在天文学研究中,关于黑洞的诞生、分布和质量都还有诸多疑问。人类对中等质量黑洞的意外发现,就可能改变人类对于黑洞诞生过程的认知。

自从2015年人类首次探测到了引力波,在这五年多的时间里,设置在地球表面的三个引力波探测装置,美国的LIGO和意大利的Virgo探测器,已经探测到了数十次黑洞合并产生的引力波信号(也包括中子星合并的信号)。人类在2019年5月21日所发现的这次黑洞合并引力波信号则有所不同。这是人类目前观测到的最强烈,也是最遥远的引黑洞合并事件,而其中最引人注意之处则在于,发生合并的两个黑洞很可能属于人们此前认为并不存在的中等质量黑洞。

所谓中等质量黑洞,指的是质量在几个到几十个太阳质量之间的恒星级质量黑洞和质量动辄在数百万个太阳质量的超巨型黑洞之间的黑洞。在理论上,这种黑洞必然会存在,因为人们认为超巨型黑洞正是由中等黑洞合并而来;但在实际上,人类此前却没有观测到过中等质量黑洞的存在。这并不是巧合,而是有科学理论的支持。

恒星级黑洞是由死亡的恒星发生引力塌缩形成。死亡恒星的质量如果超过了某个质量下限,就可能发生塌缩成为一个黑洞(人类观测到的绝大多数的黑洞质量都在5个太阳质量以上)。问题在于,恒星演化成为黑洞不仅有一个质量的下限,在理论上还有一个上限。对于太大的恒星来说,当它到达生命的尽头,会发生一场剧烈的核爆炸,摧毁整个恒星,也无法形成黑洞。因此在理论上来说,恒星形成的黑洞质量不会超过太阳质量的65倍(也有理论学家认为这个质量的上限是太阳质量的45倍)。

也就是说,在理论上,宇宙中不会存在通过恒星塌缩形成的在太阳质量65倍以上的中等质量黑洞。在2019年5月之前人类所探测到的黑洞都支持这个理论,发现的黑洞质量都在理论极限以下(但是此前发现过质量可能低于理论下限的黑洞)。但是人们随后发现了“GW190521”引力波,这次引力波信号只持续了十分之一秒,总共只有四个周期——这个比通常的黑洞合并信号要短得多的引力波信号可能会改变人类对于中等质量黑洞的认知。

美国LIGO实验室

 

科学家们主要是通过分析引力波信号的频率来推算发生合并的黑洞的质量。在“GW190521”引力波信号中,信号在十分之一秒的时间里频率从30赫兹升高到了80赫兹。科学家们仔细分析,试图解读出其中的含义。这项研究最终成为两篇论文:一篇名为《W190521:两个总质量为150个太阳质量的黑洞的合并》(W190521:A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150M⊙)的论文发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志,报告这次引力波信号的发现过程;另外一篇名为《总共150个太阳质量的双黑洞合并事件GW190521的特性与天体物理学影响》(Properties and Astrophysical Implications of the 150M⊙ Binary Black Hole Merger GW190521)的论文发表在了《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal),来自LIGO-Virgo引力波探测合作项目的科学家们试图对这个只有十分之一秒的引力波信号进行解读。

在这篇解释性的论文中提到,通过建立黑洞模型,人们发现这是两个分别为66个太阳质量和85个太阳质量的黑洞,最终合并为142个太阳质量的黑洞(其余的质量都转化为引力波在宇宙中扩散)。这是人类迄今为止观测到的质量最大的两个黑洞的合并现象,也是人类第一次通过引力波观测到中等质量黑洞存在的直接证据。这次发现可谓意义重大。天文学家们不得不为这两个中等质量黑洞的存在提供合理的解释——其中质量为66个太阳质量的黑洞尚有能诞生于一个单个的巨大恒星,但是质量为85个太阳质量的黑洞则无法用类似的理论来解释,它已经远远高于理论上限。

在论文中作者们给出了种种猜想。例如,这个中等质量黑洞可能是诞生于宇宙创生初期,在第一个恒星出现之前就已经存在了(在一些宇宙学理论中,在宇宙诞生初期,宇宙中有可能产生出各种质量的黑洞)。还有一种解释是,这次合并本来是源自两个质量较小的黑洞,但是在引力波传输过程中的一些宇宙学效应对其进行了放大,让人误以为是两个中等质量黑洞的合并。也有可能,这次引力波信号根本就不是来自于黑洞合并,而是源于更加奇特的原因……但是在所有的解释中,只有两个中等质量黑洞的合并最合乎观测到的数据。

质量相对更大的黑洞也有可能是经过了几个代际的演化,从一个较小质量的黑洞经过几次合并成为中等质量黑洞。比如围绕在星系周围运转的球状星团内部,往往有着数十万颗古老的恒星,这里是孕育黑洞的理想场所。在引力的作用下黑洞逐渐向球状星团的中心移动,在那里就容易与其他黑洞相遇并合并成为质量更大的新黑洞——问题在于,当两个黑洞发生合并,在引力波的作用之下,新生的合并黑洞往往会获得较大动能,离开自己所在的区域。只有在极特殊的情况下,比如合并发生在星系的核心区域,新生的黑洞才会停留在原地,等待与另一个黑洞再次发生合并。

人类进行引力波宇宙探测才只有短短的几年时间。此时想要理解宇宙的历史和构成,尚且类似于盲人摸象,难免会有种种的误解和迷惑。人类只有耐心等待,逐渐积累数据。到了2022年,LIGO和Virgo引力波探测器完成升级,灵敏度将进一步提高,必将发现更多的黑洞合并现象,由此才能给出最合理的解释。


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