70多億年前，兩個(gè)巨大的黑洞繞著彼此旋轉(zhuǎn)，直至碰撞、并合。這場(chǎng)劇變?nèi)绱酥?，在時(shí)空中激起了波浪。2019年5月21日凌晨時(shí)分，地球也被這遙遠(yuǎn)的并合所產(chǎn)生的振動(dòng)所震顫，天文學(xué)家探測(cè)到了截至目前最大的、顛覆了理論預(yù)期的一場(chǎng)宇宙爆炸。

美國的LIGO和意大利的Virgo收集到的信號(hào)是以引力波的形式存在的。引力波是重大宇宙事件造成的時(shí)空擾動(dòng)而引起的運(yùn)動(dòng)。該引力波信號(hào)編號(hào)為GW190521，來自一場(chǎng)真正可怕的碰撞。研究人員估計(jì)，兩個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于66個(gè)太陽、85個(gè)太陽的黑洞繞著彼此運(yùn)轉(zhuǎn)，最終形成了一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于142個(gè)太陽的大黑洞。

該研究結(jié)果近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）》，是迄今為止通過引力波探測(cè)到的最大一次黑洞并合事件。在幾分之一秒內(nèi)，并合的兩個(gè)黑洞釋放出的能量相當(dāng)于我們太陽所有原子所蘊(yùn)含能量的將近8倍，并全部以引力波的形式發(fā)出。這個(gè)能量相當(dāng)于在138億年里（可觀測(cè)宇宙的年齡），每秒引爆1000萬億多顆原子彈。

美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)家Matthew Graham（并不屬于上述兩個(gè)組織）稱這次事件“可能是宇宙中已知的最大一場(chǎng)爆炸”。

這次黑洞并合引爆了科學(xué)界的許多興奮點(diǎn)，原因很多。首先，這次并合事件產(chǎn)生的黑洞填補(bǔ)了我們觀測(cè)的空白。迄今為止，研究人員曾發(fā)現(xiàn)過數(shù)十倍于我們太陽的黑洞，以及數(shù)百萬倍至數(shù)十億倍于我們太陽的超大質(zhì)量黑洞，卻從未確認(rèn)過介于100個(gè)與10萬個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞。GW190521引力波事件最終形成的黑洞質(zhì)量約為142個(gè)太陽，恰好是這個(gè)中間地帶發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞。

“現(xiàn)在我們就可以蓋棺定論，斷言中等質(zhì)量黑洞確實(shí)存在?！盠IGO團(tuán)隊(duì)成員、美國西北大學(xué)物理學(xué)家Christopher Berry說道。

但是，對(duì)Christopher Berry和其他人而言，更激動(dòng)人心的黑洞并不是這個(gè)。相反，真正的驚喜是，并合前兩個(gè)黑洞中那個(gè)較大、質(zhì)量比太陽重約85倍的黑洞。原因在于，在這個(gè)質(zhì)量范圍內(nèi)，理論上不應(yīng)該存在黑洞。

他說：“這很令人震驚，因?yàn)槲覀冾A(yù)計(jì)在這個(gè)范圍內(nèi)根本不存在黑洞?！?/p>

一個(gè)出乎意料的黑洞

85個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞之所以是個(gè)謎團(tuán)，是因?yàn)榭茖W(xué)家們對(duì)大質(zhì)量恒星的死亡方式的認(rèn)知還不足。

時(shí)刻發(fā)生著核聚變的恒星處于一種平衡當(dāng)中：重力使恒星向內(nèi)壓縮，而當(dāng)光離開內(nèi)核時(shí)會(huì)將恒星向外推。不過，大質(zhì)量恒星的內(nèi)核有時(shí)候燃燒過熱，這種平衡就會(huì)被打破。一些光子會(huì)獲得足夠多的能量，變成一對(duì)對(duì)電子和正電子。這會(huì)短暫地降低恒星內(nèi)核的壓力，然后導(dǎo)致恒星收縮、升溫。

目前的理論預(yù)測(cè)，當(dāng)此類恒星質(zhì)量相當(dāng)于太陽的60—130倍時(shí)，收縮和升溫會(huì)導(dǎo)致發(fā)生失控的爆炸，即“不穩(wěn)定對(duì)超新星（pair-instability supernova）”。此類事件會(huì)徹底摧毀恒星，噴射出的碎屑無法坍縮成一個(gè)黑洞。

Berry說，奇怪的是，GW190521引力波事件中較大的那個(gè)黑洞“突破了我們預(yù)計(jì)不穩(wěn)定對(duì)超新星出現(xiàn)的范圍?！北举|(zhì)上，某顆恒星產(chǎn)生這樣的黑洞是不可能的。

“如果你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞，其質(zhì)量相當(dāng)于太陽的52—133倍，那么，它不應(yīng)該是單個(gè)的恒星死亡后形成的。”耶魯大學(xué)的理論天文學(xué)家Priyamvada Natarajan（并未參與本研究）說，“大自然在告訴我們，有許多方式來達(dá)到這一黑洞質(zhì)量范圍。”

惡意并合？

LIGO-Virgo在同期發(fā)表在《天文物理期刊通訊（The Astrophysical Journal Letters）》上的另一篇論文中，對(duì)這次并合以及兩個(gè)怪異黑洞的成因做出了多種猜測(cè)。最有可能的理論是，兩個(gè)黑洞中，至少有一個(gè)黑洞是由兩個(gè)較小的、常見的黑洞并合而成的。

“這是我最傾向的情形?！泵绹e州州立大學(xué)的天體物理學(xué)家Steinn Sigurdsson評(píng)述道。

特定的宇宙環(huán)境可能造就了這種“兩步走”的并合。一種可能性是，星系中心的超大質(zhì)量黑洞周圍恰好環(huán)繞著一團(tuán)氣體盤。

目前已有激動(dòng)人心的證據(jù)暗示，GW190521事件可能正是發(fā)生在這種環(huán)境中。6月份，加州理工學(xué)院的Graham與人合著的一篇發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）》上的論文描述了GW190521發(fā)生的同一片天空中出現(xiàn)過一道亮光，時(shí)間大約在引力波達(dá)到地球后34天。Graham的團(tuán)隊(duì)稱，這束光可能是并合的黑洞穿過超大質(zhì)量黑洞周圍的氣體盤時(shí)，使氣體升溫而產(chǎn)生的亮光。

這就是說，在新研究結(jié)果與亮光的推斷結(jié)果之間有個(gè)令人不安的差距：距離。Graham的研究確定這道亮光來自約80億光年外的一個(gè)星系，而LIGO-Virgo的研究結(jié)果則把黑洞并合確定在170多億光年外。Graham說，兩者來自同一片天空可能正好是巧合。他說：“如果看了足夠多的東西，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些很罕見的事情會(huì)串聯(lián)起來?！?/p>

Natarajan還有一個(gè)推斷。在2014年她與人合著發(fā)表在《科學(xué)》上的論文中，她計(jì)算出在早期的宇宙中，小黑洞通過隨機(jī)與周圍富含氣體的恒星團(tuán)碰撞、分離而迅速變大。她在即將發(fā)表的新論文里再次重申了這一觀點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)了恰好能產(chǎn)生一對(duì)黑洞的那種恒星團(tuán)，每個(gè)黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于50—75個(gè)太陽，且它們之后會(huì)發(fā)生并合。

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