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編者按：近日，天文學(xué)家發(fā)現了至今最強的黑洞碰撞，由85倍太陽(yáng)質(zhì)量和66倍太陽(yáng)質(zhì)量的兩個(gè)黑洞環(huán)繞并合成為了一個(gè)142倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，同時(shí)8倍的太陽(yáng)質(zhì)量轉化為能量巨大的引力波在時(shí)空中傳播。問(wèn)題在于，根據目前的理論計算，142倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞是不可能存在的，處于所謂黑洞質(zhì)量范圍的“缺口”之中。那么，這樣的黑洞又是怎樣形成的呢？中等質(zhì)量黑洞都存在于哪里？本文作者Dennis Overbye，原標題為"These Black Holes Shouldn’t Exist, but There They Are"，希望對您有所啟發(fā)。

天文學(xué)家報告說(shuō)，他們探測到了迄今為止最強的黑洞碰撞。這一碰撞發(fā)生在大約70億年前，即太陽(yáng)系和地球形成之前，黑洞的碰撞產(chǎn)生巨大的引力波。兩個(gè)相距數千公里的探測器捕獲到了同一個(gè)對應于有史以來(lái)觀(guān)察到的最強大引力波源的信號，僅持續了1/10秒。在美國國家科學(xué)基金會(huì )的激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測器和歐洲Virgo探測器的激光束中產(chǎn)生的這種模式，使人們得以重構這一現象的發(fā)生方式。

來(lái)自遙遠星系的短暫信號給天體物理學(xué)家們留下了新問(wèn)題：黑洞是如何形成和成長(cháng)的？

芝加哥大學(xué)的理論學(xué)家和LIGO團隊的成員Daniel Holz稱(chēng)這個(gè)新發(fā)現是“LIGO/ Virgo首次驚人發(fā)現。這樣的黑洞本不應該存在的?！?/p>

根據傳統理論，發(fā)生碰撞的黑洞質(zhì)量太大，不可能是由恒星坍縮產(chǎn)生的。從現有的恒星級黑洞形成理論出發(fā)，通過(guò)數據模擬演算，科學(xué)家們認為，宇宙中恒星級黑洞最大的質(zhì)量，也不會(huì )超過(guò)太陽(yáng)的100倍。而合并產(chǎn)生的更大的黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的142倍，屬于一個(gè)全新的中等質(zhì)量的黑洞類(lèi)別，以前這一塊是空白，這樣的黑洞以前從未被可靠地發(fā)現過(guò)。

“全球引力波探測網(wǎng)絡(luò )的又一發(fā)現，改寫(xiě)了我們對宇宙的認識，”哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)致力于LIGO的天體物理學(xué)家Zsuzsanna Marka在一封電子郵件中寫(xiě)道。

巴納德學(xué)院(Barnard College)的宇宙學(xué)家詹娜·萊文(Janna Levin)補充道:“自從我第一次對引力波產(chǎn)生興趣以來(lái)，我就一直在等待這樣的結果?！?/p>

根據描標準的宇宙學(xué)模型計算，這一事件發(fā)生在離地球遠到不可想象的距離——170億光年之外。一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)85倍的黑洞，與一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)66倍的黑洞發(fā)生碰撞，形成了一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)142倍的黑洞。

2019年5月21日上午，又有大約8倍太陽(yáng)的質(zhì)量和能量消失在時(shí)空結構的漣漪——引力波中，在那瘋狂的一瞬間，像鐘聲一樣敲響了整個(gè)宇宙。

一個(gè)由LIGO和Virgo合作組成的國際科學(xué)家小組在《物理評論快報》（Physical Review Letters）和《天體物理學(xué)雜志快報》（The Astrophysical Journal Letters）上發(fā)表了兩篇論文，報告了他們的發(fā)現。

他們的論文在很大程度上肯定了一個(gè)被稱(chēng)為GW190521事件的初步分析，該分析是由一個(gè)合作項目之外的小組做的。今年6月，由加州理工學(xué)院馬修·格雷厄姆（Matthew Graham）領(lǐng)導的研究小組利用公開(kāi)的數據進(jìn)行了初步分析。

利用加利福尼亞的一臺名為Zwicky Transient Facility (ZTF)的望遠鏡，格雷厄姆的團隊發(fā)現了一道閃光，這可能是由一個(gè)遙遠星系中心周?chē)某砻軞怏w盤(pán)中新形成的黑洞引起的。

他們預測，最終的分析結果將顯示，碰撞黑洞的質(zhì)量總和將超過(guò)100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，由此產(chǎn)生的黑洞將瘋狂旋轉，并具有較大的反沖速度。

“這正是LIGO正在報道的，”格雷厄姆（Graham）在一封電子郵件中寫(xiě)道?！斑@是LIGO的重大發(fā)現，為支持我們一直在推動(dòng)的合并模式和環(huán)境提供了強有力的證據?！?/p>

大多數已知的黑洞是大質(zhì)量恒星演變的，這些恒星死亡后坍塌成質(zhì)量是太陽(yáng)幾倍的黑暗物體。但星系中存在的黑洞質(zhì)量要比這個(gè)大幾百萬(wàn)或幾十億倍。這些天體是如何變得如此巨大的，這一直是天文學(xué)的一個(gè)謎。

直到最近，還很少有證據表明存在中等大小、質(zhì)量在100到100,000倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。GW190521合并過(guò)程中產(chǎn)生的黑洞就是這一“缺失環(huán)節”的第一個(gè)實(shí)實(shí)在在的例子。

“我已經(jīng)尋找15年了，現在終于找到了!”佛羅里達大學(xué)(University of Florida)物理學(xué)家謝爾蓋·克里門(mén)科(Sergey Klimenko)在電子郵件中寫(xiě)道?！斑@一發(fā)現是引力波天文學(xué)的一個(gè)里程碑?！?/p>

因此，他說(shuō)，天文學(xué)家可能已經(jīng)看到了宇宙形成黑洞的過(guò)程，聚小成大，就像2019年4月拍攝的M87星系中心的“超大質(zhì)量黑洞”一樣。

“這是第一次也是唯一一次對一個(gè)中等質(zhì)量黑洞誕生時(shí)的質(zhì)量進(jìn)行可靠的測量，”西北大學(xué)的天體物理學(xué)家Vicky Kalogera在一封電子郵件中寫(xiě)道?！艾F在我們確切地知道，至少有這樣一種方式。這些物體可以通過(guò)合并其他黑洞而形成?！?/p>

這一合并過(guò)程可能是一個(gè)重要的線(xiàn)索，可以幫助我們了解今年6月發(fā)生碰撞的兩個(gè)黑洞中較重的那個(gè)黑洞的起源。這個(gè)黑洞的質(zhì)量為太陽(yáng)的85倍，根據標準的天體物理邏輯，它是不應該存在的。質(zhì)量在50到120個(gè)太陽(yáng)之間的黑洞是不可能形成的。

在質(zhì)量大到足以形成如此可怕黑洞的恒星中，其內部在坍縮時(shí)變得非常熱，熱到光自發(fā)地產(chǎn)生了電子和正電子對。這使得恒星變得更熱，產(chǎn)生更多的粒子，在失控的反應中導致了一種特別猛烈的爆炸，稱(chēng)為成對不穩定超新星。這樣的過(guò)程之后，什么也沒(méi)留下?；魻柶澱f(shuō)：“沒(méi)有中子星，沒(méi)有黑洞。什么也沒(méi)有?！?/p>

他提到了GW190521中質(zhì)量為85倍太陽(yáng)的黑洞:“這樣的黑洞處于不可能質(zhì)量范圍的中心，過(guò)去我們認為這種質(zhì)量的黑洞并不存在，不過(guò)大自然似乎忽略了所有我們精心進(jìn)行的理論計算?！?/p>

他補充說(shuō)：“這樣的發(fā)現既令人沮喪又令人振奮。一方面，我們所珍視的一個(gè)觀(guān)點(diǎn)被證明是錯誤的。另一方面，我們發(fā)現了一些新的和意想不到的東西，現在我們要弄清楚到底是怎么回事?！?/p>

譯者：Jane

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