70多億年前，兩個巨大的黑洞繞著彼此旋轉(zhuǎn)，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(xué)家探測到了截至目前最大的、顛覆了理論預(yù)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(zhì)量相當(dāng)于66個太陽、85個太陽的黑洞繞著彼此運轉(zhuǎn)，最終形成了一個質(zhì)量相當(dāng)于142個太陽的大黑洞。
該研究結(jié)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(dāng)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(dāng)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(xué)院的天文學(xué)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(xué)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(zhì)量黑洞，卻從未確認過介于100個與10萬個太陽質(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(zhì)量黑洞確實存在?！盠IGO團隊成員、美國西北大學(xué)物理學(xué)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(zhì)量比太陽重約85倍的黑洞。原因在于，在這個質(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，因為我們預(yù)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(zhì)量的黑洞之所以是個謎團，是因為科學(xué)家們對大質(zhì)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(dāng)中：重力使恒星向內(nèi)壓縮，而當(dāng)光離開內(nèi)核時會將恒星向外推。不過，大質(zhì)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(dǎo)致恒星收縮、升溫。
目前的理論預(yù)測，當(dāng)此類恒星質(zhì)量相當(dāng)于太陽的60—130倍時，收縮和升溫會導(dǎo)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(yù)計不穩(wěn)定對超新星出現(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)該是單個的恒星死亡后形成的?！币敶髮W(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，有許多方式來達到這一黑洞質(zhì)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(xué)的天體物理學(xué)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(zhì)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(xué)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(zhì)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(jié)果與亮光的推斷結(jié)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(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，就會發(fā)現(xiàn)這些很罕見的事情會串聯(lián)起來?！?/p>
Natarajan還有一個推斷。在2014年她與人合著發(fā)表在《科學(xué)》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(zhì)量相當(dāng)于50—75個太陽，且它們之后會發(fā)生并合。
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