第一個被清晰探測到的中等質量黑洞:迄今最強引力波信號

利用引力波探測器,天文學家發現了一個142倍太陽質量的黑洞,這是迄今為止觀測到的最大規模的黑洞合並事件。天體物理學家對這一引力波事件非常關注,因為這對目前的黑洞形成理論提出了挑戰。宇宙中充滿了時空漣漪——引力波——的回響,現在,在我們所聽到的「宇宙交響樂」中,又增加了一段新的聲音。

第一個被清晰探測到的中等質量黑洞:迄今最強引力波信號

兩個黑洞碰撞的想象圖

自2015年以來,天體物理學家一直在使用引力波探測器來「聆聽」宇宙中類似啁啾的信號,並通過解碼這些在時空中產生的細微漣漪,分析發出這些信號的大規模碰撞事件。現在,根據激光干涉引力波天文台(LIGO)和歐洲的室女座干涉儀(Virgo)的一項新研究,科學家們探測到了一個新的引力波信號,來自一場快速而劇烈的「爆炸」事件。對該事件的研究或許能幫助我們解開更多的宇宙謎題。

「這是又一個首次發現,」美國路易斯安那州立大學的物理學家、這項新研究的團隊成員加布里埃拉·岡薩雷斯(Gabriela Gonzalez)說,「我們永遠不會厭倦第一。」經過一年多的研究,這個被稱為GW190521的奇怪信號使科學家相信,他們發現了迄今為止最大規模的黑洞合並事件,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100倍至1000倍的黑洞)。

宇宙中的巨大爆炸

第一個被清晰探測到的中等質量黑洞:迄今最強引力波信號

根據2019年5月21日探測到的引力波信號,天文學家的推測,該信號是一個85倍太陽質量的中等質量黑洞與一個66倍太陽質量的恆星黑洞碰撞時產生的,最後形成了一個142倍太陽質量的中等質量黑洞。

當科學家們仔細梳理引力波探測儀的觀測結果時,很快就發現了這個獨特的信號。這項新研究的合著者、哥倫比亞大學的天文學家筎然娜·瑪卡(Zsuzsanna Marka)清楚地記得,探測器是在2019年5月21日接收到信號。她是少數幾個將手機與宇宙探測實時連接的天體物理學家之一,每當引力波探測器「聽」到宇宙中可能的信號時,他們就會收到提醒。

收到提醒之後,瑪卡開始檢查這些事件中是否伴有中微子爆發。不過,就在當晚,她已經意識到這很可能是一次十分特別的探測。「我不由自主地注意到了巨大的質量,」瑪卡說道。她記得當時的想法是:「這太棒了,意義非常重大。這確實是我們希望看到的大規模事件之一,令人難以置信,但還不清楚是否真的存在這樣的大質量黑洞。」

黑洞的大小各不相同。根據美國國家航空航天局(NASA)的數據,恆星黑洞(一類由大質量恆星引力坍塌後形成的黑洞)的質量是太陽的10到25倍;超大質量黑洞的質量是太陽的數十萬倍到數百萬倍以上,一般認為星系中心(包括銀河系中心)都會有超大質量黑洞。天文學家推測,可能存在某種介於兩者之間的黑洞,即中等質量黑洞。據估計,中等質量黑洞的質量大約為太陽的100倍到1000倍。

第一個被清晰探測到的中等質量黑洞:迄今最強引力波信號

這張圖顯示了迄今為止探測到的黑洞碰撞和中子-恆星碰撞事件。產生GW190521的事件位於中心頂部,是所有碰撞中黑洞質量最大的。

中等質量黑洞並不像大多數小型黑洞那樣,由垂死的恆星爆發形成。相比由單一恆星引力坍縮形成的恆星黑洞而言,中等質量黑洞的質量顯然過大;恆星在爆發過程中總是會失去一些物質,但當恆星達到一定體積後,無論它變大多少,當它爆發時會形成一個質量最高約為太陽65倍的黑洞。根據LIGO團隊的研究,更大的恆星在爆發時會失去更多的物質,最終形成同樣大小的黑洞。

這一過程可以解釋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,而對於質量更大的恆星(130至250倍太陽質量),則更可能發生不穩定對超新星爆發,恆星將被完全毀滅,不留下黑洞或其他任何殘骸。因此,天文學家認為,恆星坍縮不會產生質量在太陽質量65倍至120倍之間的黑洞,這一范圍稱為「對不穩定性空缺」。

直到最近,中等質量黑洞還只是理論上存在的神秘天體,即使以黑洞的標准來看也十分難以捉摸。利用LIGO的早期探測結果,天文學家對恆星黑洞進行了觀察;另一方面,事件視界望遠鏡也拍攝到了M87星系中心超大質量黑洞的圖像,但對於中等質量黑洞,對其進行探測並不容易。

這次新的爆炸事件成為首次探測到中等質量黑洞的證據。天文學家的計算表明,這個引力波信號是一個85倍太陽質量的中等質量黑洞與一個66倍太陽質量的恆星黑洞碰撞時產生的。美國國家科學基金會引力物理學項目主任佩德羅·馬羅內蒂(Pedro Marronetti)在一份聲明中說:「LIGO再次讓我們感到驚喜,它不僅探測到了大小難以解釋的黑洞,而且使用的技術並不是專門為恆星合並事件設計的。」LIGO項目是由美國國家科學基金會資助的。

「這非常重要,因為它展示了LIGO探測器的能力,其探測到的信號來自完全不可預見的天體物理事件,」馬羅內蒂說,「這項探測表明,LIGO也可以觀測到我們意想不到的物體。」

是新的黑洞,還是更奇特的物體?

第一個被清晰探測到的中等質量黑洞:迄今最強引力波信號

2019年5月21日探測到的黑洞碰撞事件的數值模型

與往常一樣,當涉及到引力波時,天文學家就不得不圍繞着探測結果中破譯的少量信息來建立假設。他們將這一引力波信號命名為GW190521,發現它的持續時間比LIGO之前探測到的其他信號短得多,只有十分之一秒;它的頻率也比之前的黑洞合並事件產生的信號低得多。天文學家還可以追蹤該信號至特定的天空區域。

根據這些信息,天體物理學家計算出了碰撞發生的距離——大約70億光年。他們還可以計算出了兩個相撞物體的質量,分別是太陽質量的85倍和66倍,而碰撞後的物體質量大約是太陽質量的142倍(在碰撞過程中,一些質量以引力波能量的形式丟失了)。

由於瀕死恆星產生的黑洞大小存在限制,因此這些初始質量表明,至少其中較大的黑洞——也可能是較小的黑洞——本身可能就是兩個黑洞碰撞的結果。「兩個黑洞合並,形成一個新的黑洞……然後它們再次合並,」瑪卡說,「這只有在存在大量黑洞,即黑洞密度很高的環境下才會發生。」

瑪卡希望這場碰撞發生在一個活動星系核附近,由於活動星系核的強大引力,可以將其他天體錨定在附近。活動星系核是星系中心的一個緻密區域,其發出的輻射被認為是星系中央的超大質量黑洞物質吸積產生的。不過,利用目前有關的數據,天文學家還沒有辦法確定GW190521背後的確切機制。

從更長遠的角度,如果能發現更多正在合並的中等質量黑洞,或許可以解決關於超大質量黑洞的一個重大謎團,即它們的起源。

「它們就像房間里的大象,有上百萬個太陽的質量,」美國西北大學天體物理學家、LIGO研究人員克里斯托弗·貝里(Christopher Berry)在另一份聲明中說,「它們是由恆星質量黑洞(恆星塌縮時產生)演變而來,還是通過某種未被發現的方式產生的?長期以來,我們一直在尋找一個中等質量黑洞,以填補恆星黑洞和超大質量黑洞之間的空缺。現在,我們有證據證明中等質量黑洞確實存在。」

盡管天文學家對這個引力波信號和發現中等質量黑洞的可能性感到興奮,但他們並不能肯定目前的假設是正確的。當然,兩個85倍和66倍太陽質量的黑洞合並是最符合數據的,但天體物理學家也在考慮其他更奇特的解釋。

「如果某種全新的事件產生了這些引力波呢?」美國西北大學的物理學家、LIGO團隊專家瓦西莉基·卡洛耶拉(Vicky Kalogera)說,「這樣的前景很吸引人。」她還補充道,目前對信號產生原因的假設包括一顆銀河系恆星的坍縮,以及某種古老的宇宙弦。

首次發現之後

第一個被清晰探測到的中等質量黑洞:迄今最強引力波信號

引力波從兩個黑洞的合並中擴散出來

目前,LIGO和Virgo探測器都處於下線狀態。由於新冠肺炎疫情大流行,它們被迫在3月底關閉。不過,天體物理學家正計劃升級這兩台探測器和它們的算法,以繼續探測宇宙中的時空漣漪。

探測器及其算法的升級對於追蹤更多像GW190521這樣的信號是至關重要的。如果探測器本身更加靈敏,科學家就能捕捉到更遙遠的信號;而對數據處理算法進行微調,他們就能更容易地識別像這樣的更短信號。

岡薩雷斯表示,探測到兩個黑洞的碰撞事件,以及其中某個黑洞本身就是由合並形成的,這預示着宇宙中存在着很多有待觀測的信號。「我希望這意味着有更多的黑洞——可能是黑洞的集群,因為它們聚集在一起,所以合並得更頻繁,」她說,「我希望這些黑洞集群的規模很大,而且分布在很多地方,這樣我們就能探測到更多的黑洞。」

當然,這一切還必須取決於未來的探測結果。「大自然做它該做的,我們不能告訴它該做什麼,」岡薩雷斯說,「我們收集數據,取得發現,然後由理論天體物理學家們去推測並提出新的理論,來解釋這些巨大的黑洞是如何產生的。」

LIGO和Virgo團隊將相關研究的結果發表在9月2日的《物理評論快報》(Physical Review Letters)和《天體物理學期刊通訊》(The Astrophysical Journal Letters)上,前一篇詳細描述了引力波信號的發現過程,後一篇則討論了該信號的物理性質及天文物理學意義。

來源:cnBeta