麻省理工学院朱棣文教授 这位艺术家的概念展示了一个融合黑洞的分层方案
LIGO和处女座最近观察到一个黑洞合并，最终质量是太阳的142倍，这使得它成为迄今为止在引力波中观察到的同类黑洞中最大的一个
这一事件被认为发生在两个质量分别约为65和85个太阳质量的黑洞相互螺旋结合的时候
理论模型表明，自然界不可能形成如此巨大的黑洞；具体来说，模型确定了65到130个太阳质量之间的质量范围，称为“对不稳定性质量间隙”,其中认为黑洞不能由坍缩的恒星形成
那么LIGO和处女座观察到的两个合并黑洞是如何产生的呢？科学家认为，这些黑洞本身可能是由两个较小黑洞的早期合并形成的，如图所示
学分:LIGO/加州理工学院/麻省理工学院/R
赫特(IPAC) 尽管宇宙十分空虚，但它仍以引力波的形式活跃着
由极端的天体物理现象产生，这些反射波向前波动，震动时空结构，就像宇宙钟的叮当声
现在，研究人员从引力波中发现了一个信号，这可能是迄今为止观测到的最大规模的黑洞合并
这次合并的产物是第一次明确发现了一个“中等质量”的黑洞，其质量是太阳的100到1000倍
他们在2019年5月21日用美国国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到了这个信号，他们给这个信号贴上了GW190521的标签，这是一对在美国相同的4公里长的干涉仪；处女座是意大利的一个3公里长的探测器
这个信号，类似于四次短暂的摆动，持续时间非常短，不到十分之一秒
据研究人员所知，GW190521是由一个大约50亿秒远的源产生的，当时宇宙只有一半的年龄，这使得它成为迄今为止探测到的最遥远的引力波源之一
至于是什么产生了这个信号，基于一套强大的最先进的计算和建模工具，科学家们认为GW190521很可能是由一个具有异常性质的二进制黑洞合并产生的
迄今为止，几乎每一个被证实的引力波信号都来自两个黑洞或两颗中子星之间的双星合并
这次最新的合并似乎是迄今为止最大的一次，包括两个质量分别是太阳质量的85倍和66倍的黑洞
Virgo处女座团队还测量了每个黑洞的旋转，发现随着黑洞越来越靠近，它们可能绕着自己的轴旋转，旋转的角度与它们的轨道轴不一致
当两个巨人盘旋着向对方靠近时，黑洞错位的旋转很可能导致它们的轨道摆动，或“进动”
新的信号可能代表了两个黑洞融合的瞬间
合并产生了一个更大的黑洞，大约有142个太阳质量，并释放了大量的能量，相当于大约8个太阳质量，以引力波的形式遍布宇宙
法国国家科学研究中心(CNRS)的研究员处女座成员尼尔森·克里斯滕森说:“这看起来不太像啁啾声，这是我们通常探测到的。”他将这一信号与2015年LIGO首次探测到引力波进行了比较
“这更像是‘砰’的一声，这是LIGO和处女座见过的最大信号
" 组成LIGO科学协作组(LSC)和处女座协作组的国际科学家团队在今天发表的两篇论文中报告了他们的发现
一篇发表在《物理评论快报》上，详细介绍了这一发现，另一篇发表在《天体物理学杂志快报》上，讨论了信号的物理性质和天体物理学含义
“LIGO再次让我们感到惊讶，不仅是发现了难以解释大小的黑洞，而且使用了不是专门为恒星合并而设计的技术，”国家科学基金会引力物理项目主任佩德罗·马罗内蒂说
“这是非常重要的，因为它展示了仪器探测来自完全无法预见的天体物理事件的信号的能力
LIGO表明，它也能观察到意想不到的情况
" 在质量差距中 这两个令人惊叹的黑洞以及最后一个黑洞独特的巨大质量，引发了一系列关于它们形成的问题
迄今为止观察到的所有黑洞都属于两种类型:恒星质量黑洞，从几个太阳质量到几十个太阳质量不等，被认为是在大质量恒星死亡时形成的；或者超大质量黑洞，比如位于银河系中心的黑洞，其体积是太阳的几十万到几十亿倍
然而，由GW190521合并产生的最后一个142个太阳质量的黑洞位于恒星质量和超大质量黑洞之间的中等质量范围内——这是有史以来第一次发现这种黑洞
产生最后一个黑洞的两个原始黑洞似乎在大小上也是独一无二的
它们如此之大，以至于科学家怀疑它们中的一个或两个可能不是像大多数恒星质量的黑洞一样由坍缩的恒星形成的
根据恒星演化物理学，来自恒星核心的光子和气体的向外压力支持它抵抗向内推动的重力，这样恒星就像太阳一样稳定
在大质量恒星的核心融合了铁一样重的原子核后，它就不再能产生足够的压力来支撑外层
当这种向外的压力小于重力时，恒星会在自身重量的作用下坍缩，产生一种叫做核心坍缩超新星的爆炸，这种爆炸会留下一个黑洞
这个过程可以解释130个太阳质量的恒星如何产生65个太阳质量的黑洞
但是对于较重的恒星来说，一种被称为“成对不稳定性”的现象被认为是起作用的
当核心的光子变得非常高能时，它们可以变成电子和反电子对
这些对产生的压力比光子小，导致恒星在重力坍缩时变得不稳定，由此产生的爆炸足够强烈，不会留下任何东西
超过200个太阳质量的更大质量的恒星最终会直接坍缩成一个至少有120个太阳质量的黑洞
因此，一颗坍缩的恒星不应该能够产生一个质量在大约65到120个太阳质量之间的黑洞——这个范围被称为“对不稳定性质量间隙”
" 但是现在，产生GW190521信号的两个黑洞中较重的一个，质量为85个太阳，是迄今为止在这对不稳定质量间隙中第一次被探测到
法国尼斯天文台阿耳忒弥斯实验室主任克里斯滕森说:“我们在这个质量差距中看到了一个黑洞，这一事实将使许多天体物理学家挠头，试图弄清楚这些黑洞是如何形成的。”
研究人员在他们的第二篇论文中考虑的一种可能性是分层合并，其中两个原始黑洞本身可能是由两个较小的黑洞合并而成，然后一起迁移并最终合并
“这个事件引发的问题比它提供的答案还多，”LIGO成员艾伦·温斯坦说，他是加州理工学院的物理学教授
“从发现和物理学的角度来看，这是一件非常激动人心的事情
" “意想不到的事情” 关于GW190521还有许多问题
当LIGO和处女座探测器监听穿过地球的引力波时，自动搜索会对传入的数据进行梳理，寻找有趣的信号
这些搜索可以使用两种不同的方法:从数据中挑选出特定波形的算法，这些波形可能是由紧凑的二进制系统产生的；更一般的“突发”搜索，本质上是寻找任何不寻常的东西
麻省理工学院物理学助理教授、LIGO成员萨尔瓦托勒·维塔莱将紧凑的二进制搜索比作“对数据进行梳理，以一定的间隔捕捉事物”，这与更像是“包罗万象”的突发搜索形成对比
在GW190521的例子中，这是一次突发搜索，它稍微更清楚地捕捉到了信号，开启了引力波产生于除二元合并之外的东西的极小机会
“断言我们发现了新东西的标准非常高，”温斯坦说
“所以我们通常使用奥卡姆剃刀:越简单的解决方案越好，在这种情况下是一个二元黑洞
" 但是如果一些全新的东西产生了这些引力波呢？这是一个诱人的前景，在他们的论文中，科学家们简要考虑了宇宙中可能产生他们探测到的信号的其他来源
例如，也许引力波是由我们银河系中一颗坍缩的恒星发出的
该信号也可能来自宇宙最早膨胀后产生的宇宙弦——尽管这些奇异的可能性都不像二进制合并那样与数据匹配
“自从我们第一次打开LIGO，我们充满信心地观察到的一切都是黑洞或中子星的碰撞，”温斯坦说，“这是我们的分析允许这个事件不是这种碰撞的可能性的一个事件。”
尽管这一事件与异常大规模的双星黑洞合并是一致的，并且其他解释也不受欢迎，但它正在挑战我们的信心边界
这可能会使它变得非常令人兴奋
因为我们都希望有新的、意想不到的东西，挑战我们已经学到的东西
这一事件有可能做到这一点
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
