颠覆认知：科学家发现了一个“不该出现的黑洞”

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编者按：近日，天文学家发现了至今最强的黑洞碰撞，由85倍太阳质量和66倍太阳质量的两个黑洞环绕并合成为了一个142倍太阳质量的黑洞，同时8倍的太阳质量转化为能量巨大的引力波在时空中传播。问题在于，根据目前的理论计算，142倍太阳质量的黑洞是不可能存在的，处于所谓黑洞质量范围的“缺口”之中。那么，这样的黑洞又是怎样形成的呢？中等质量黑洞都存在于哪里？本文作者Dennis Overbye，原标题为"These Black Holes Shouldn’t Exist, but There They Are"，希望对您有所启发。

天文学家报告说，他们探测到了迄今为止最强的黑洞碰撞。这一碰撞发生在大约70亿年前，即太阳系和地球形成之前，黑洞的碰撞产生巨大的引力波。两个相距数千公里的探测器捕获到了同一个对应于有史以来观察到的最强大引力波源的信号，仅持续了1/10秒。在美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器和欧洲Virgo探测器的激光束中产生的这种模式，使人们得以重构这一现象的发生方式。

来自遥远星系的短暂信号给天体物理学家们留下了新问题：黑洞是如何形成和成长的？

芝加哥大学的理论学家和LIGO团队的成员Daniel Holz称这个新发现是“LIGO/ Virgo首次惊人发现。这样的黑洞本不应该存在的。”

根据传统理论，发生碰撞的黑洞质量太大，不可能是由恒星坍缩产生的。从现有的恒星级黑洞形成理论出发，通过数据模拟演算，科学家们认为，宇宙中恒星级黑洞最大的质量，也不会超过太阳的100倍。而合并产生的更大的黑洞，其质量是太阳的142倍，属于一个全新的中等质量的黑洞类别，以前这一块是空白，这样的黑洞以前从未被可靠地发现过。

“全球引力波探测网络的又一发现，改写了我们对宇宙的认识，”哥伦比亚大学(Columbia University)致力于LIGO的天体物理学家Zsuzsanna Marka在一封电子邮件中写道。

巴纳德学院(Barnard College)的宇宙学家詹娜•莱文(Janna Levin)补充道:“自从我第一次对引力波产生兴趣以来，我就一直在等待这样的结果。”

根据描标准的宇宙学模型计算，这一事件发生在离地球远到不可想象的距离——170亿光年之外。一个质量为太阳85倍的黑洞，与一个质量为太阳66倍的黑洞发生碰撞，形成了一个质量为太阳142倍的黑洞。

2019年5月21日上午，又有大约8倍太阳的质量和能量消失在时空结构的涟漪——引力波中，在那疯狂的一瞬间，像钟声一样敲响了整个宇宙。

一个由LIGO和Virgo合作组成的国际科学家小组在《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上发表了两篇论文，报告了他们的发现。

他们的论文在很大程度上肯定了一个被称为GW190521事件的初步分析，该分析是由一个合作项目之外的小组做的。今年6月，由加州理工学院马修·格雷厄姆（Matthew Graham）领导的研究小组利用公开的数据进行了初步分析。

利用加利福尼亚的一台名为Zwicky Transient Facility (ZTF)的望远镜，格雷厄姆的团队发现了一道闪光，这可能是由一个遥远星系中心周围的稠密气体盘中新形成的黑洞引起的。

他们预测，最终的分析结果将显示，碰撞黑洞的质量总和将超过100个太阳质量，由此产生的黑洞将疯狂旋转，并具有较大的反冲速度。

“这正是LIGO正在报道的，”格雷厄姆（Graham）在一封电子邮件中写道。“这是LIGO的重大发现，为支持我们一直在推动的合并模式和环境提供了强有力的证据。”

大多数已知的黑洞是大质量恒星演变的，这些恒星死亡后坍塌成质量是太阳几倍的黑暗物体。但星系中存在的黑洞质量要比这个大几百万或几十亿倍。这些天体是如何变得如此巨大的，这一直是天文学的一个谜。

直到最近，还很少有证据表明存在中等大小、质量在100到100,000倍太阳质量的黑洞。GW190521合并过程中产生的黑洞就是这一“缺失环节”的第一个实实在在的例子。

“我已经寻找15年了，现在终于找到了!”佛罗里达大学(University of Florida)物理学家谢尔盖·克里门科(Sergey Klimenko)在电子邮件中写道。“这一发现是引力波天文学的一个里程碑。”

因此，他说，天文学家可能已经看到了宇宙形成黑洞的过程，聚小成大，就像2019年4月拍摄的M87星系中心的“超大质量黑洞”一样。

“这是第一次也是唯一一次对一个中等质量黑洞诞生时的质量进行可靠的测量，”西北大学的天体物理学家Vicky Kalogera在一封电子邮件中写道。“现在我们确切地知道，至少有这样一种方式。这些物体可以通过合并其他黑洞而形成。”

这一合并过程可能是一个重要的线索，可以帮助我们了解今年6月发生碰撞的两个黑洞中较重的那个黑洞的起源。这个黑洞的质量为太阳的85倍，根据标准的天体物理逻辑，它是不应该存在的。质量在50到120个太阳之间的黑洞是不可能形成的。

在质量大到足以形成如此可怕黑洞的恒星中，其内部在坍缩时变得非常热，热到光自发地产生了电子和正电子对。这使得恒星变得更热，产生更多的粒子，在失控的反应中导致了一种特别猛烈的爆炸，称为成对不稳定超新星。这样的过程之后，什么也没留下。霍尔兹说：“没有中子星，没有黑洞。什么也没有。”

他提到了GW190521中质量为85倍太阳的黑洞:“这样的黑洞处于不可能质量范围的中心，过去我们认为这种质量的黑洞并不存在，不过大自然似乎忽略了所有我们精心进行的理论计算。”

他补充说：“这样的发现既令人沮丧又令人振奋。一方面，我们所珍视的一个观点被证明是错误的。另一方面，我们发现了一些新的和意想不到的东西，现在我们要弄清楚到底是怎么回事。”

译者：Jane

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