終于發(fā)現(xiàn)介于較小黑洞和超大黑洞之間的罕見“中等質(zhì)量黑洞”
終于發(fā)現(xiàn)介于較小黑洞和超大黑洞之間的罕見“中等質(zhì)量黑洞”
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)cnBeta：外媒報(bào)道，盡管科學(xué)家們最近才能捕捉到黑洞的發(fā)現(xiàn)圖像，但他們對黑洞卻了解得不少。介于較小間南昌美女兼職外圍上門外圍女（電話微信181-2989-2716）一二線城市預(yù)約、空姐、模特、留學(xué)生、熟女、白領(lǐng)、老師、優(yōu)質(zhì)資源這些密度極高的黑洞和超罕見黑洞天體會吸收任何靠其很近的天體，它們是大黑洞大多數(shù)星系的中心，至少天文學(xué)家是終于中等質(zhì)量這樣認(rèn)為的。另外目前已知的發(fā)現(xiàn)是黑洞有兩種類型：標(biāo)準(zhǔn)版（較小版）的質(zhì)量被認(rèn)為是太陽的5到100倍；另一個(gè)版本是超大質(zhì)量版，其質(zhì)量是介于較小間太陽的1000倍以上。
那么介于這兩者之間的黑洞和超罕見黑洞有沒有其他類型的黑洞呢？天學(xué)家們可能終于找到了答案。
“中等質(zhì)量黑洞”已經(jīng)躲避天文學(xué)家很長時(shí)間了，大黑洞但他們知道這樣的終于中等質(zhì)量黑洞一定存在于某個(gè)地方，事實(shí)證明，發(fā)現(xiàn)找到這樣一個(gè)黑洞是介于較小間一個(gè)難以置信的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，黑洞和超罕見黑洞研究人員在觀察了數(shù)十億光年之外的大黑洞兩個(gè)黑洞合并的同時(shí)相信他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)中等質(zhì)量黑洞的誕生。
通過利用地球上三個(gè)天文臺的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)質(zhì)量分別為地球85倍和66倍的黑洞。相對而言，這兩個(gè)黑洞都較小，但在它們合并后則形成了一個(gè)介于標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞之間的南昌美女兼職外圍上門外圍女（電話微信181-2989-2716）一二線城市預(yù)約、空姐、模特、留學(xué)生、熟女、白領(lǐng)、老師、優(yōu)質(zhì)資源黑洞。
這些觀測都是通過引力波進(jìn)行的，而引力波需要耗費(fèi)70億年才到達(dá)地球。這是一段難以置信的距離，所以發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的科學(xué)家們顯然感到非常得興奮。
雖然這是足以令人瘋狂的發(fā)現(xiàn)，但現(xiàn)在仍有許多待解的問題，其中最重要的是為什么中等質(zhì)量的黑洞在太空中如此罕見。所謂的“黑洞沙漠”在較小黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間是相當(dāng)空的，研究人員想找出其中的原因。有一種理論認(rèn)為，一旦黑洞達(dá)到一定的大小，它們就會開始以更快的速度吞噬更多的物質(zhì)，進(jìn)而很快就會變成超大質(zhì)量黑洞。但就目前而言，這種解釋仍只算是一種有根據(jù)的猜測。
相關(guān)報(bào)道：“不可能質(zhì)量”黑洞被發(fā)現(xiàn)，探測到迄今最強(qiáng)引力波源
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)科研圈：引力波探測器LIGO/Virgo發(fā)現(xiàn)了一個(gè)142倍太陽質(zhì)量的黑洞，這是天文學(xué)家首次觀測到中等質(zhì)量黑洞，也是目前借助引力波觀測到的最大的黑洞。
這個(gè)黑洞由兩個(gè)質(zhì)量分別為85倍和65倍太陽質(zhì)量的黑洞合并而成，這也對目前的黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)槔碚擃A(yù)測85倍太陽質(zhì)量的黑洞是不可能存在的。
相關(guān)研究今日在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）和《天體物理學(xué)期刊通訊》（Astrophysical Journal Letters）發(fā)表，這一發(fā)現(xiàn)將幫助我們更好地認(rèn)識位于一些星系中央的超大質(zhì)量黑洞。
看似空曠無垠的宇宙中，其實(shí)充滿了引力波弦音一般的回響。引力波由極端天文物理現(xiàn)象產(chǎn)生，在時(shí)空中激起圈圈漣漪，就像宇宙中的鈴鐺將聲音傳播出去一樣。這一次，研究人員聽到了一聲巨響。
這次事件是使用引力波觀測到的規(guī)模最大的黑洞合并事件，其形成的142倍太陽質(zhì)量黑洞也是第一個(gè)被清晰探測到的中等質(zhì)量黑洞（即質(zhì)量為太陽質(zhì)量的100倍至1000倍的黑洞）。這個(gè)黑洞由兩個(gè)質(zhì)量分別為85倍和65倍太陽質(zhì)量的黑洞合并而成，這也對目前的黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)：根據(jù)目前理論，85倍太陽質(zhì)量的黑洞不可能存在。
這個(gè)引力波信號于2019年5月21日分別被位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）和位于意大利的Virgo干涉儀探測到，因此研究人員將其命名為GW190521。
今日，LIGO和Virgo科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在國際期刊上發(fā)表兩篇論文，報(bào)告對該信號對研究成果。一篇發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters），詳細(xì)敘述了引力波信號的發(fā)現(xiàn)過程；另一篇發(fā)表于《天體物理學(xué)期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上，討論了信號的物理性質(zhì)和天文物理學(xué)意義。
令人疑惑的質(zhì)量空缺
此前，天體物理學(xué)家觀測到的所有黑洞可以分為兩類：恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級黑洞質(zhì)量為太陽質(zhì)量的幾倍至幾十倍，一般認(rèn)為是質(zhì)量大的恒星死去后形成的；而超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量達(dá)到太陽的幾百倍、幾千倍甚至數(shù)十億倍，在銀河系的中心就存在一個(gè)這樣的黑洞。然而，釋放這一引力波信號的最終黑洞質(zhì)量為太陽質(zhì)量的142倍，處在恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間。
根據(jù)恒星演化物理，恒星的核中的光子和氣體產(chǎn)生向外的壓力，平衡了促使橫行物質(zhì)向內(nèi)的重力，從而保持穩(wěn)定狀態(tài)，例如太陽。而當(dāng)恒星內(nèi)部的重元素原子（例如鐵）發(fā)生聚變后，它將無法產(chǎn)生能夠支撐外層的壓力。而當(dāng)向外的壓力小于重力時(shí)，恒星會在自身重量的作用下坍塌，發(fā)生核坍縮超新星爆炸（core-collapse supernova），進(jìn)而形成黑洞。
這個(gè)過程可以解釋130倍太陽質(zhì)量的恒星如何形成最高為65倍太陽質(zhì)量的黑洞。但對于更重的恒星來說，對不穩(wěn)定性（pair instability）現(xiàn)象也是要考慮的因素。當(dāng)恒星核中的光子能量極高時(shí)，它們會形成電子和反電子對。這些正反電子對產(chǎn)生的壓力比光子小，使得恒星更不穩(wěn)定，更容易發(fā)生引力坍縮，進(jìn)而產(chǎn)生足以摧毀一切的劇烈爆炸。即便是質(zhì)量更大的恒星，比如200倍太陽質(zhì)量，最終也會坍縮成為至少為太陽質(zhì)量120倍的黑洞。因此，坍縮的恒星不會產(chǎn)生質(zhì)量在太陽質(zhì)量65倍至120倍之間的黑洞，這個(gè)范圍稱為對不穩(wěn)定性空缺（pair instability mass gap）。
但是現(xiàn)在，發(fā)出GW190521引力波信號的兩個(gè)黑洞里較重的一個(gè)質(zhì)量為太陽質(zhì)量的85倍，是目前為止探測到的第一個(gè)質(zhì)量落在這一區(qū)間的黑洞。
Virgo成員、來自法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的研究員Nelson Christensen表示：“我們觀察到了質(zhì)量落在這個(gè)區(qū)間的黑洞，這個(gè)事實(shí)足以使很多天文物理學(xué)家抓耳撓腮，嘗試去研究這些黑洞的起源。”
一種可能性是第二篇文章提到的分級合并（hierarchical merger）：在相互接近并發(fā)生合并之前，兩個(gè)原始黑洞分別由更小的兩個(gè)黑洞合并而成。
“這個(gè)天文物理事件引發(fā)的疑問比它回答的問題要多，”加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、LIGO成員Alan Weinstein說，“從探索和物理學(xué)的角度看，這是件令人激動(dòng)的事。”
強(qiáng)大的信號
此信號持續(xù)時(shí)間極短，還不足0.1秒。研究人員推測，GW190521引力波信號來自距地球5吉秒差距（gigaparsec）外的星系，反映了宇宙年齡相當(dāng)于目前一半時(shí)的狀態(tài)，經(jīng)歷了70億年的旅程才抵達(dá)地球。這也是目前探測到的最遙遠(yuǎn)的引力波源。
至于信號的來源，科學(xué)家根據(jù)先進(jìn)的計(jì)算建模工具，推測GW190521最有可能是具有特殊性質(zhì)的雙黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的信號。目前為止，幾乎所有確認(rèn)的引力波信號均來自于雙星合并，包括雙黑洞合并和雙中子星合并。
LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)還分別測量了這兩個(gè)黑洞的自轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)隨著黑洞旋轉(zhuǎn)著相互靠近，它們各自的自轉(zhuǎn)軸可能會偏離軌道的軸向。當(dāng)這兩個(gè)龐然大物不斷旋轉(zhuǎn)著相互靠近時(shí)，軸的錯(cuò)位會導(dǎo)致它們的軌道搖擺不定，或者說發(fā)生進(jìn)動(dòng)。
這次合并產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)量更大的黑洞，質(zhì)量約為太陽的142倍，可以以引力波的形式向宇宙釋放出相當(dāng)于太陽質(zhì)量8倍的巨大能量。Christensen表示：“這和我們通常探測到的啁啾聲一般的信號不一樣。”和LIGO于2015年第一次探測到的引力波對比，“這個(gè)信號如同一聲巨響，是LIGO和Virgo目前為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)大的信號源。”
“意料之外”
LIGO項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金會（NSF）資助，其裝置由一對長4千米的干涉儀構(gòu)成。“LIGO再次給我們帶來了驚喜。不僅僅是因?yàn)樗綔y到了尺寸難以解釋的黑洞，更因?yàn)樗玫募夹g(shù)并不是特意為研究星系合并而設(shè)計(jì)的，” NSF引力物理項(xiàng)目主任Pedro Marronetti評價(jià)道，“這點(diǎn)意義重大，它向我們展示了儀器具有探測到來自人類未預(yù)見的天文物理事件信號的能力。LIGO告訴我們它可以觀測我們意想不到的現(xiàn)象。”
當(dāng)LIGO和Virgo 探測器探測穿過地球的引力波信號時(shí)，自動(dòng)搜索程序會梳理輸入數(shù)據(jù)，尋找研究人員感興趣的信號。搜索方法有兩種：一是用算法尋找可能由兩個(gè)致密星體構(gòu)成的系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模式，二是更普遍的“突發(fā)搜索”（burst searches），尋找一切異常的信號。
LIGO成員、麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)助理教授Salvatore Vitale 把尋找特定模式的算法比喻成“用梳子穿過數(shù)據(jù)，總會捕捉到一些特定形狀的東西”，而突發(fā)搜索是一種更加通用的方法。
在GW190521信號的發(fā)現(xiàn)中，正是第二種方法挑選出了更清晰一點(diǎn)的信號，發(fā)現(xiàn)這種引力波來自除雙星合并以外其他來源的可能性很小。
“斷言我們發(fā)現(xiàn)新東西的門檻很高，”Weinstein表示，“我們一貫遵循奧卡姆剃刀原則：解釋越簡單越好，就GW190521信號而言，最好的解釋便是雙黑洞（合并）。”
但是，如果這次的引力波信號來自于一個(gè)全新的天體呢？這是個(gè)令人著迷的前景，在發(fā)表的文章中，科學(xué)家們也簡短地考慮了其他可能的引力波源。比如它可能是由銀河系的某顆正在坍塌的恒星發(fā)出的，或者來自宇宙早期產(chǎn)生的弦。不過這些假說對數(shù)據(jù)的吻合度并不如雙黑洞合并假說。
“自從LIGO投入使用以來，所有可信度高的觀測均為黑洞或中子星的碰撞。” Weinstein還表示，“在這個(gè)現(xiàn)象中，我們的分析表明它有可能不是一次這樣的碰撞。盡管這一現(xiàn)象與具有獨(dú)特質(zhì)量的雙黑洞合并事件相一致，其他解釋不被看好，它仍使我們增強(qiáng)了自信。這是件令人興奮的事。因?yàn)槲覀兌计诖业叫率挛铮释l(fā)現(xiàn)意料之外的現(xiàn)象來對我們已有的知識提出挑戰(zhàn)。而這個(gè)天文發(fā)現(xiàn)就做到了這點(diǎn)。” |
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