「不可能質量」黑洞被發現,探測到迄今最強引力波源

引力波探測器 LIGO/Virgo 發現了一個 142 倍太陽質量的黑洞,這是天文學家首次觀測到中等質量黑洞,也是目前藉助引力波觀測到的最大的黑洞。

這個黑洞由兩個質量分別為 85 倍和 65 倍太陽質量的黑洞合並而成,這也對目前的黑洞形成理論提出了挑戰,因為理論預測 85 倍太陽質量的黑洞是不可能存在的。

相關研究今日在《物理評論快報》(Physical Review Letters)和《天體物理學期刊通訊》(Astrophysical Journal Letters)發表,這一發現將幫助我們更好地認識位於一些星系中央的超大質量黑洞。

「不可能質量」黑洞被發現,探測到迄今最強引力波源

圖片來源:N。 Fischer, H。 Pfeiffer, A。 Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

看似空曠無垠的宇宙中,其實充滿了引力波弦音一般的回響。引力波由極端天文物理現象產生,在時空中激起圈圈漣漪,就像宇宙中的鈴鐺將聲音傳播出去一樣。這一次,研究人員聽到了一聲巨響。

這次事件是使用引力波觀測到的規模最大的黑洞合並事件,其形成的 142 倍太陽質量黑洞也是第一個被清晰探測到的中等質量黑洞(即質量為太陽質量的 100 倍至 1000 倍的黑洞)。這個黑洞由兩個質量分別為 85 倍和 65 倍太陽質量的黑洞合並而成,這也對目前的黑洞形成理論提出了挑戰:根據目前理論, 85 倍太陽質量的黑洞不可能存在。

「不可能質量」黑洞被發現,探測到迄今最強引力波源

這個引力波信號於 2019 年 5 月 21 日分別被位於美國的激光干涉引力波天文台(LIGO)和位於意大利的 Virgo 干涉儀探測到,因此研究人員將其命名為 GW190521。

今日,LIGO 和 Virgo 科學家團隊在國際期刊上發表兩篇論文,報告對該信號對研究成果。一篇發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters),詳細敘述了引力波信號的發現過程;另一篇發表於《天體物理學期刊通訊》(The Astrophysical Journal Letters)上,討論了信號的物理性質和天文物理學意義。

令人疑惑的質量空缺

此前,天體物理學家觀測到的所有黑洞可以分為兩類:恆星級黑洞和超大質量黑洞。恆星級黑洞質量為太陽質量的幾倍至幾十倍,一般認為是質量大的恆星死去後形成的;而超大質量黑洞的質量達到太陽的幾百倍、幾千倍甚至數十億倍,在銀河系的中心就存在一個這樣的黑洞。然而,釋放這一引力波信號的最終黑洞質量為太陽質量的 142 倍,處在恆星級黑洞和超大質量黑洞之間。

根據恆星演化物理,恆星的核中的光子和氣體產生向外的壓力,平衡了促使橫行物質向內的重力,從而保持穩定狀態,例如太陽。而當恆星內部的重元素原子(例如鐵)發生聚變後,它將無法產生能夠支撐外層的壓力。而當向外的壓力小於重力時,恆星會在自身重量的作用下坍塌,發生核坍縮超新星爆炸(core-collapse supernova),進而形成黑洞。

「不可能質量」黑洞被發現,探測到迄今最強引力波源

圖片來源:LIGO/Caltech/MIT/R。 Hurt (IPAC)

這個過程可以解釋 130 倍太陽質量的恆星如何形成最高為 65 倍太陽質量的黑洞。但對於更重的恆星來說,對不穩定性(pair instability)現象也是要考慮的因素。當恆星核中的光子能量極高時,它們會形成電子和反電子對。這些正反電子對產生的壓力比光子小,使得恆星更不穩定,更容易發生引力坍縮,進而產生足以摧毀一切的劇烈爆炸。即便是質量更大的恆星,比如 200 倍太陽質量,最終也會坍縮成為至少為太陽質量 120 倍的黑洞。因此,坍縮的恆星不會產生質量在太陽質量 65 倍至 120 倍之間的黑洞,這個范圍稱為對不穩定性空缺(pair instability mass gap)。

但是現在,發出 GW190521 引力波信號的兩個黑洞里較重的一個質量為太陽質量的 85 倍,是目前為止探測到的第一個質量落在這一區間的黑洞。

Virgo 成員、來自法國國家科學研究中心(CNRS)的研究員 Nelson  Christensen 表示:「我們觀察到了質量落在這個區間的黑洞,這個事實足以使很多天文物理學家抓耳撓腮,嘗試去研究這些黑洞的起源。」

一種可能性是第二篇文章提到的分級合並(hierarchical merger):在相互接近並發生合並之前,兩個原始黑洞分別由更小的兩個黑洞合並而成。

「這個天文物理事件引發的疑問比它回答的問題要多,」加州理工學院物理學教授、LIGO 成員 Alan Weinstein 說,「從探索和物理學的角度看,這是件令人激動的事。」

強大的信號

此信號持續時間極短,還不足 0.1 秒。研究人員推測,GW190521 引力波信號來自距地球 5 吉秒差距(gigaparsec)外的星系,反映了宇宙年齡相當於目前一半時的狀態,經歷了 70 億年的旅程才抵達地球。這也是目前探測到的最遙遠的引力波源。

至於信號的來源,科學家根據先進的計算建模工具,推測 GW190521 最有可能是具有特殊性質的雙黑洞合並時產生的信號。目前為止,幾乎所有確認的引力波信號均來自於雙星合並,包括雙黑洞合並和雙中子星合並。

LIGO-Virgo 團隊還分別測量了這兩個黑洞的自轉情況,發現隨着黑洞旋轉着相互靠近,它們各自的自轉軸可能會偏離軌道的軸向。當這兩個龐然大物不斷旋轉着相互靠近時,軸的錯位會導致它們的軌道搖擺不定,或者說發生進動。

這次合並產生了一個質量更大的黑洞,質量約為太陽的 142 倍,可以以引力波的形式向宇宙釋放出相當於太陽質量 8 倍的巨大能量。Christensen 表示:「這和我們通常探測到的啁啾聲一般的信號不一樣。」和 LIGO 於 2015 年第一次探測到的引力波對比,「這個信號如同一聲巨響,是 LIGO 和 Virgo 目前為止發現的最強大的信號源。」

「意料之外」

LIGO 項目由美國國家科學基金會(NSF)資助,其裝置由一對長 4 千米的干涉儀構成。「LIGO 再次給我們帶來了驚喜。不僅僅是因為它探測到了尺寸難以解釋的黑洞,更因為它用的技術並不是特意為研究星系合並而設計的,」 NSF 引力物理項目主任 Pedro Marronetti 評價道,「這點意義重大,它向我們展示了儀器具有探測到來自人類未預見的天文物理事件信號的能力。LIGO 告訴我們它可以觀測我們意想不到的現象。」

當 LIGO 和 Virgo  探測器探測穿過地球的引力波信號時,自動搜索程序會梳理輸入數據,尋找研究人員感興趣的信號。搜索方法有兩種:一是用算法尋找可能由兩個緻密星體構成的系統產生的數據模式,二是更普遍的「突發搜索」(burst searches),尋找一切異常的信號。

LIGO 成員、麻省理工學院(MIT)物理學助理教授 Salvatore Vitale 把尋找特定模式的算法比喻成「用梳子穿過數據,總會捕捉到一些特定形狀的東西」,而突發搜索是一種更加通用的方法。

在 GW190521 信號的發現中,正是第二種方法挑選出了更清晰一點的信號,發現這種引力波來自除雙星合並以外其他來源的可能性很小。

「斷言我們發現新東西的門檻很高,」 Weinstein 表示,「我們一貫遵循奧卡姆剃刀原則:解釋越簡單越好,就 GW190521 信號而言,最好的解釋便是雙黑洞(合並)。」

但是,如果這次的引力波信號來自於一個全新的天體呢?這是個令人着迷的前景,在發表的文章中,科學家們也簡短地考慮了其他可能的引力波源。比如它可能是由銀河系的某顆正在坍塌的恆星發出的,或者來自宇宙早期產生的弦。不過這些假說對數據的吻合度並不如雙黑洞合並假說。

「自從 LIGO 投入使用以來,所有可信度高的觀測均為黑洞或中子星的碰撞。」 Weinstein  還表示,「在這個現象中,我們的分析表明它有可能不是一次這樣的碰撞。盡管這一現象與具有獨特質量的雙黑洞合並事件相一致,其他解釋不被看好,它仍使我們增強了自信。這是件令人興奮的事。因為我們都期待着找到新事物,渴望發現意料之外的現象來對我們已有的知識提出挑戰。而這個天文發現就做到了這點。」

來源:cnBeta