侦测到迄今最大双黑洞整合之重力波,融成理论上的中等质量黑洞

让科学家摸不着头绪、理论上确信存在但始终找不到直接证据的中等质量黑洞,终于现身了!LIGO与Virgo重力波天文台证实于去年9月探测到有史以来最大的双黑洞整合事件,两者质量分别为太阳的66和85倍,并且最终融合成太阳质量142倍的黑洞,正落在中等质量黑洞范围内。

中等质量黑洞(Intermediate-mass black hole)是质量介于太阳100~1,000,000倍的一种理论黑洞,比恒星黑洞(数十倍太阳质量)大,但远小于超大质量黑洞(数十万倍太阳质量),它们是上述2种黑洞之间谜一般的缺失环节,天文学家肯定中等质量黑洞一定存在(毕竟超大质量黑洞形成的其中一个理论就是通过恒星黑洞不断整合变大,代表过程一定会有中等质量黑洞这个过渡期),但迄今为止,我们只有寥寥数个无直接证据的“候选”对象。

2019年5月21日凌晨,LIGO与Virgo接收到持续约0.1秒的重力波信号GW190521,起源于70亿光年以外,研究成员表示,这次信号听起来不像我们平常认识的啁啾声(chirp,指频率随时间而增加或减少的信号),反而更像“爆炸(bang)”,同时也是LIGO与Virgo目前接收过最大的信号。

研究人员使用了4种不同算法来确定黑洞整合的质量、以及释放出多少能量,计算结果惊人表明,在不到1秒钟时间内,70亿光年外的2个黑洞整合发布之能量约太阳能量8倍,并且2个黑洞质量分别为太阳的66和85倍,融合成一个太阳142倍的中等质量黑洞,这里立下2大里程碑:第一,天文学家第一次握有清晰的中等质量黑洞重力波数据;第二,发现质量介于“灰色地带”的黑洞。

根据爱因斯坦方程,黑洞可以具有任意质量,但宇宙只有通过天体物理学过程才能制造出一定质量的黑洞,大质量恒星崩溃是形成黑洞的一条关键途径,却也对黑洞质量设下了一些限制:根据恒星演化学,来自恒星核心光子与气体的向外压力会与向内推动的重力相抗衡,使恒星维持稳定,一旦这两股力失衡,恒星就会在自身重力作用下塌缩引发超新星爆炸,视恒星本身质量可能变成白矮星、中子星或黑洞。

一颗质量高达太阳质量130倍的恒星可直接塌缩成65倍太阳质量的黑洞,但更大一点的恒星却会开始存在“不稳定对”现象,由此产生的爆炸足够强大,不会留下任何东西(不会形成中子星或黑洞),直到质量超过太阳200倍的恒星,才会又直接塌陷成120倍太阳质量的黑洞。也就是说,质量介于65~120倍之间的黑洞是块灰色地带,理论上,不会发现单颗恒星直接塌缩成质量介于66~120倍的黑洞。

而GW190521事件证明了现有模型的出入,天文学家不只发现2个质量都落在灰色地带的黑洞,它们还进化成让科学家遍寻无果的中等质量黑洞。研究人员考虑了其中一种可能性是“分层整合”:这2个黑洞也许不是来自恒星直接塌缩,而是来自另外2个更小黑洞的整合,如下图所示。

黑洞一层一层整合的过程。(Source:LIGO)

虽然还有另一种解释认为重力波可能来自宇宙弦,不过这解释起来就复杂了,研究团队退回奥卡姆剃刀(Occam’s Razor)法则:最简单的假设也许最正确。

又如果,中等质量黑洞真的来自其他恒星黑洞一步一步整合,也许可再说明超大质量黑洞周围的气体盘中,确实藏有很多小黑洞。

两篇新论文分别发布在《物理评论快报》(Physical Review Letters)与《天文物理期刊通信》(The Astrophysical Journal Letters)。

(首图来源:LIGO)

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