顛覆認知:科學家發現了一個「不該出現的黑洞」

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編者按:近日,天文學家發現了至今最強的黑洞碰撞,由85倍太陽質量和66倍太陽質量的兩個黑洞環繞併合成為了一個142倍太陽質量的黑洞,同時8倍的太陽質量轉化為能量巨大的引力波在時空中傳播。問題在於,根據目前的理論計算,142倍太陽質量的黑洞是不可能存在的,處於所謂黑洞質量範圍的「缺口」之中。那麼,這樣的黑洞又是怎樣形成的呢?中等質量黑洞都存在於哪裡?本文作者Dennis Overbye,原標題為"These Black Holes Shouldn't Exist, but There They Are",希望對您有所啟發。

天文學家報告說,他們探測到了迄今為止最強的黑洞碰撞。這一碰撞發生在大約70億年前,即太陽系和地球形成之前,黑洞的碰撞產生巨大的引力波。兩個相距數千公里的探測器捕獲到了同一個對應於有史以來觀察到的最強大引力波源的信號,僅持續了1/10秒。在美國國家科學基金會的激光干涉引力波天文台(LIGO)探測器和歐洲Virgo探測器的激光束中產生的這種模式,使人們得以重構這一現象的發生方式。

來自遙遠星系的短暫信號給天體物理學家們留下了新問題:黑洞是如何形成和成長的?

芝加哥大學的理論學家和LIGO團隊的成員Daniel Holz稱這個新發現是「LIGO/ Virgo首次驚人發現。這樣的黑洞本不應該存在的。」

顛覆認知:科學家發現了一個「不該出現的黑洞」
顛覆認知:科學家發現了一個「不該出現的黑洞」

根據傳統理論,發生碰撞的黑洞質量太大,不可能是由恆星坍縮產生的。從現有的恆星級黑洞形成理論出發,通過數據模擬演算,科學家們認為,宇宙中恆星級黑洞最大的質量,也不會超過太陽的100倍。而合併產生的更大的黑洞,其質量是太陽的142倍,屬於一個全新的中等質量的黑洞類別,以前這一塊是空白,這樣的黑洞以前從未被可靠地發現過。

「全球引力波探測網絡的又一發現,改寫了我們對宇宙的認識,」哥倫比亞大學(Columbia University)致力於LIGO的天體物理學家Zsuzsanna Marka在一封電子郵件中寫道。

巴納德學院(Barnard College)的宇宙學家詹娜•萊文(Janna Levin)補充道:「自從我第一次對引力波產生興趣以來,我就一直在等待這樣的結果。」

根據描標準的宇宙學模型計算,這一事件發生在離地球遠到不可想像的距離——170億光年之外。一個質量為太陽85倍的黑洞,與一個質量為太陽66倍的黑洞發生碰撞,形成了一個質量為太陽142倍的黑洞。

2019年5月21日上午,又有大約8倍太陽的質量和能量消失在時空結構的漣漪——引力波中,在那瘋狂的一瞬間,像鐘聲一樣敲響了整個宇宙。

一個由LIGO和Virgo合作組成的國際科學家小組在《物理評論快報》(Physical Review Letters)和《天體物理學雜誌快報》(The Astrophysical Journal Letters)上發表了兩篇論文,報告了他們的發現。

他們的論文在很大程度上肯定了一個被稱為GW190521事件的初步分析,該分析是由一個合作項目之外的小組做的。今年6月,由加州理工學院馬修‧格雷厄姆(Matthew Graham)領導的研究小組利用公開的數據進行了初步分析。

利用加利福尼亞的一台名為Zwicky Transient Facility (ZTF)的望遠鏡,格雷厄姆的團隊發現了一道閃光,這可能是由一個遙遠星系中心周圍的稠密氣體盤中新形成的黑洞引起的。

他們預測,最終的分析結果將顯示,碰撞黑洞的質量總和將超過100個太陽質量,由此產生的黑洞將瘋狂旋轉,並具有較大的反衝速度。

「這正是LIGO正在報導的,」格雷厄姆(Graham)在一封電子郵件中寫道。「這是LIGO的重大發現,為支持我們一直在推動的合併模式和環境提供了強有力的證據。」

大多數已知的黑洞是大質量恆星演變的,這些恆星死亡後坍塌成質量是太陽幾倍的黑暗物體。但星系中存在的黑洞質量要比這個大幾百萬或幾十億倍。這些天體是如何變得如此巨大的,這一直是天文學的一個謎。

直到最近,還很少有證據表明存在中等大小、質量在100到100,000倍太陽質量的黑洞。GW190521合併過程中產生的黑洞就是這一「缺失環節」的第一個實實在在的例子。

「我已經尋找15年了,現在終於找到了!」佛羅里達大學(University of Florida)物理學家謝爾蓋‧克里門科(Sergey Klimenko)在電子郵件中寫道。「這一發現是引力波天文學的一個里程碑。」

因此,他說,天文學家可能已經看到了宇宙形成黑洞的過程,聚小成大,就像2019年4月拍攝的M87星系中心的「超大質量黑洞」一樣。

「這是第一次也是唯一一次對一個中等質量黑洞誕生時的質量進行可靠的測量,」西北大學的天體物理學家Vicky Kalogera在一封電子郵件中寫道。「現在我們確切地知道,至少有這樣一種方式。這些物體可以通過合併其他黑洞而形成。」

這一合併過程可能是一個重要的線索,可以幫助我們瞭解今年6月發生碰撞的兩個黑洞中較重的那個黑洞的起源。這個黑洞的質量為太陽的85倍,根據標準的天體物理邏輯,它是不應該存在的。質量在50到120個太陽之間的黑洞是不可能形成的。

在質量大到足以形成如此可怕黑洞的恆星中,其內部在坍縮時變得非常熱,熱到光自發地產生了電子和正電子對。這使得恆星變得更熱,產生更多的粒子,在失控的反應中導致了一種特別猛烈的爆炸,稱為成對不穩定超新星。這樣的過程之後,什麼也沒留下。霍爾茲說:「沒有中子星,沒有黑洞。什麼也沒有。」

他提到了GW190521中質量為85倍太陽的黑洞:「這樣的黑洞處於不可能質量範圍的中心,過去我們認為這種質量的黑洞並不存在,不過大自然似乎忽略了所有我們精心進行的理論計算。」

他補充說:「這樣的發現既令人沮喪又令人振奮。一方面,我們所珍視的一個觀點被證明是錯誤的。另一方面,我們發現了一些新的和意想不到的東西,現在我們要弄清楚到底是怎麼回事。」

譯者:Jane

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