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发现迄今最大、最奇怪的黑洞碰撞
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发现迄今最大、最奇怪的黑洞碰撞事件

2020-09-11 14:34 主页 来源:未知
发现迄今最大、最奇怪的黑洞碰撞事件

艺术家创作的两个黑洞即将碰撞的情景。目前还不清楚GW190521黑洞并合事件是否存在电磁辐射。插图:MARK MYERS, ARC CENTRE OF EXCELLENCE FOR GRAVITATIONAL WAVE DISCOVERY (OZGRAV)‘
70多亿年前,两个巨大的黑洞绕着彼此旋转,直至碰撞、并合。这场剧变如此之大,在时空中激起了波浪。2019年5月21日凌晨时分,地球也被这遥远的并合所产生的振动所震颤,天文学家探测到了截至目前最大的、颠覆了理论预期的一场宇宙爆炸。 美国的LIGO和意大利的Virgo收集到的信号是以引力波的形式存在的。引力波是重大宇宙事件造成的时空扰动而引起的运动。该引力波信号编号为GW190521,来自一场真正可怕的碰撞。研究人员估计,两个质量相当于66个太阳、85个太阳的黑洞绕着彼此运转,最终形成了一个质量相当于142个太阳的大黑洞。 该研究结果近日发表在《物理评论快报(Physical Review Letters)》,是迄今为止通过引力波探测到的最大一次黑洞并合事件。在几分之一秒内,并合的两个黑洞释放出的能量相当于我们太阳所有原子所蕴含能量的将近8倍,并全部以引力波的形式发出。这个能量相当于在138亿年里(可观测宇宙的年龄),每秒引爆1000万亿多颗原子弹。 美国加州理工学院的天文学家Matthew Graham(并不属于上述两个组织)称这次事件“可能是宇宙中已知的最大一场爆炸”。 这次黑洞并合引爆了科学界的许多兴奋点,原因很多。首先,这次并合事件产生的黑洞填补了我们观测的空白。迄今为止,研究人员曾发现过数十倍于我们太阳的黑洞,以及数百万倍至数十亿倍于我们太阳的超大质量黑洞,却从未确认过介于100个与10万个太阳质量的黑洞。GW190521引力波事件最终形成的黑洞质量约为142个太阳,恰好是这个中间地带发现的第一颗黑洞。 “现在我们就可以盖棺定论,断言中等质量黑洞确实存在。”LIGO团队成员、美国西北大学物理学家Christopher Berry说道。 但是,对Christopher Berry和其他人而言,更激动人心的黑洞并不是这个。相反,真正的惊喜是,并合前两个黑洞中那个较大、质量比太阳重约85倍的黑洞。原因在于,在这个质量范围内,理论上不应该存在黑洞。 他说:“这很令人震惊,因为我们预计在这个范围内根本不存在黑洞。”一个出乎意料的黑洞 85个太阳质量的黑洞之所以是个谜团,是因为科学家们对大质量恒星的死亡方式的认知还不足。 时刻发生着核聚变的恒星处于一种平衡当中:重力使恒星向内压缩,而当光离开内核时会将恒星向外推。不过,大质量恒星的内核有时候燃烧过热,这种平衡就会被打破。一些光子会获得足够多的能量,变成一对对电子和正电子。这会短暂地降低恒星内核的压力,然后导致恒星收缩、升温。 目前的理论预测,当此类恒星质量相当于太阳的60—130倍时,收缩和升温会导致发生失控的爆炸,即“不稳定对超新星(pair-instability supernova)”。此类事件会彻底摧毁恒星,喷射出的碎屑无法坍缩成一个黑洞。 Berry说,奇怪的是,GW190521引力波事件中较大的那个黑洞“突破了我们预计不稳定对超新星出现的范围。”本质上,某颗恒星产生这样的黑洞是不可能的。 “如果你发现了一个黑洞,其质量相当于太阳的52—133倍,那么,它不应该是单个的恒星死亡后形成的。”耶鲁大学的理论天文学家Priyamvada Natarajan(并未参与本研究)说,“大自然在告诉我们,有许多方式来达到这一黑洞质量范围。”恶意并合? LIGO-Virgo在同期发表在《天文物理期刊通讯(The Astrophysical Journal Letters)》上的另一篇论文中,对这次并合以及两个怪异黑洞的成因做出了多种猜测。最有可能的理论是,两个黑洞中,至少有一个黑洞是由两个较小的、常见的黑洞并合而成的。 “这是我最倾向的情形。”美国宾州州立大学的天体物理学家Steinn Sigurdsson评述道。特定的宇宙环境可能造就了这种“两步走”的并合。一种可能性是,星系中心的超大质量黑洞周围恰好环绕着一团气体盘。 目前已有激动人心的证据暗示,GW190521事件可能正是发生在这种环境中。6月份,加州理工学院的Graham与人合著的一篇发表在《物理评论快报(Physical Review Letters)》上的论文描述了GW190521发生的同一片天空中出现过一道亮光,时间大约在引力波达到地球后34天。Graham的团队称,这束光可能是并合的黑洞穿过超大质量黑洞周围的气体盘时,使气体升温而产生的亮光。 这就是说,在新研究结果与亮光的推断结果之间有个令人不安的差距:距离。Graham的研究确定这道亮光来自约80亿光年外的一个星系,而LIGO-Virgo的研究结果则把黑洞并合确定在170多亿光年外。Graham说,两者来自同一片天空可能正好是巧合。他说:“如果看了足够多的东西,就会发现这些很罕见的事情会串联起来。” Natarajan还有一个推断。在2014年她与人合著发表在《科学》上的论文中,她计算出在早期的宇宙中,小黑洞通过随机与周围富含气体的恒星团碰撞、分离而迅速变大。她在即将发表的新论文里再次重申了这一观点,并发现了恰好能产生一对黑洞的那种恒星团,每个黑洞的质量相当于50—75个太阳,且它们之后会发生并合