70多億年前，兩個巨大的黑洞繞著彼此旋轉，直至碰撞、并合。這場劇變?nèi)绱酥?，在時空中激起了波浪。2019年5月21日凌晨時分，地球也被這遙遠的并合所產(chǎn)生的振動所震顫，天文學家探測到了截至目前最大的、顛覆了理論預期的一場宇宙爆炸。
美國的LIGO和意大利的Virgo收集到的信號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空擾動而引起的運動。該引力波信號編號為GW190521，來自一場真正可怕的碰撞。研究人員估計，兩個質量相當于66個太陽、85個太陽的黑洞繞著彼此運轉，最終形成了一個質量相當于142個太陽的大黑洞。
該研究結果近日發(fā)表在《物理評論快報（Physical Review Letters）》，是迄今為止通過引力波探測到的最大一次黑洞并合事件。在幾分之一秒內(nèi)，并合的兩個黑洞釋放出的能量相當于我們太陽所有原子所蘊含能量的將近8倍，并全部以引力波的形式發(fā)出。這個能量相當于在138億年里（可觀測宇宙的年齡），每秒引爆1000萬億多顆原子彈。
美國加州理工學院的天文學家Matthew Graham（并不屬于上述兩個組織）稱這次事件“可能是宇宙中已知的最大一場爆炸”。
這次黑洞并合引爆了科學界的許多興奮點，原因很多。首先，這次并合事件產(chǎn)生的黑洞填補了我們觀測的空白。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量黑洞，卻從未確認過介于100個與10萬個太陽質量的黑洞。GW190521引力波事件最終形成的黑洞質量約為142個太陽，恰好是這個中間地帶發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞。
“現(xiàn)在我們就可以蓋棺定論，斷言中等質量黑洞確實存在。”LIGO團隊成員、美國西北大學物理學家Christopher Berry說道。
但是，對Christopher Berry和其他人而言，更激動人心的黑洞并不是這個。相反，真正的驚喜是，并合前兩個黑洞中那個較大、質量比太陽重約85倍的黑洞。原因在于，在這個質量范圍內(nèi)，理論上不應該存在黑洞。
他說：“這很令人震驚，因為我們預計在這個范圍內(nèi)根本不存在黑洞?！?/p>
一個出乎意料的黑洞
85個太陽質量的黑洞之所以是個謎團，是因為科學家們對大質量恒星的死亡方式的認知還不足。
時刻發(fā)生著核聚變的恒星處于一種平衡當中：重力使恒星向內(nèi)壓縮，而當光離開內(nèi)核時會將恒星向外推。不過，大質量恒星的內(nèi)核有時候燃燒過熱，這種平衡就會被打破。一些光子會獲得足夠多的能量，變成一對對電子和正電子。這會短暫地降低恒星內(nèi)核的壓力，然后導致恒星收縮、升溫。
目前的理論預測，當此類恒星質量相當于太陽的60—130倍時，收縮和升溫會導致發(fā)生失控的爆炸，即“不穩(wěn)定對超新星（pair-instability supernova）”。此類事件會徹底摧毀恒星，噴射出的碎屑無法坍縮成一個黑洞。
Berry說，奇怪的是，GW190521引力波事件中較大的那個黑洞“突破了我們預計不穩(wěn)定對超新星出現(xiàn)的范圍?！北举|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)了一個黑洞，其質量相當于太陽的52—133倍，那么，它不應該是單個的恒星死亡后形成的?！币敶髮W的理論天文學家Priyamvada Natarajan（并未參與本研究）說，“大自然在告訴我們，有許多方式來達到這一黑洞質量范圍?！?/p>
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，對這次并合以及兩個怪異黑洞的成因做出了多種猜測。最有可能的理論是，兩個黑洞中，至少有一個黑洞是由兩個較小的、常見的黑洞并合而成的。
“這是我最傾向的情形。”美國賓州州立大學的天體物理學家Steinn Sigurdsson評述道。
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，星系中心的超大質量黑洞周圍恰好環(huán)繞著一團氣體盤。
目前已有激動人心的證據(jù)暗示，GW190521事件可能正是發(fā)生在這種環(huán)境中。6月份，加州理工學院的Graham與人合著的一篇發(fā)表在《物理評論快報（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，時間大約在引力波達到地球后34天。Graham的團隊稱，這束光可能是并合的黑洞穿過超大質量黑洞周圍的氣體盤時，使氣體升溫而產(chǎn)生的亮光。
這就是說，在新研究結果與亮光的推斷結果之間有個令人不安的差距：距離。Graham的研究確定這道亮光來自約80億光年外的一個星系，而LIGO-Virgo的研究結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，就會發(fā)現(xiàn)這些很罕見的事情會串聯(lián)起來。”
Natarajan還有一個推斷。在2014年她與人合著發(fā)表在《科學》上的論文中，她計算出在早期的宇宙中，小黑洞通過隨機與周圍富含氣體的恒星團碰撞、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，并發(fā)現(xiàn)了恰好能產(chǎn)生一對黑洞的那種恒星團，每個黑洞的質量相當于50—75個太陽，且它們之后會發(fā)生并合。
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