科学家发现中等质量黑洞证据:迄今最强的引力波源

作者:任天来源:新浪科技发布时间:2020-09-04

利用引力波探测器,天文学家发现了一个142倍太阳质量的黑洞,这是迄今为止观测到的最大规模的黑洞合并事件。天体物理学家对这一引力波事件非常关注,因为这对目前的黑洞形成理论提出了挑战。

宇宙中充满了时空涟漪——引力波——的回响,现在,在我们所听到的“宇宙交响乐”中,又增加了一段新的声音。自2015年以来,天体物理学家一直在使用引力波探测器来“聆听”宇宙中类似啁啾的信号,并通过解码这些在时空中产生的细微涟漪,分析发出这些信号的大规模碰撞事件。现在,根据激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲的室女座干涉仪(Virgo)的一项新研究,科学家们探测到了一个新的引力波信号,来自一场快速而剧烈的“爆炸”事件。对该事件的研究或许能帮助我们解开更多的宇宙谜题。

“这是又一个首次发现,”美国路易斯安那州立大学的物理学家、这项新研究的团队成员加布里埃拉·冈萨雷斯(Gabriela Gonzalez)说,“我们永远不会厌倦第一。”经过一年多的研究,这个被称为GW190521的奇怪信号使科学家相信,他们发现了迄今为止最大规模的黑洞合并事件,其形成的142倍太阳质量黑洞也是第一个被清晰探测到的中等质量黑洞(即质量为太阳质量100倍至1000倍的黑洞)。

宇宙中的巨大爆炸

当科学家们仔细梳理引力波探测仪的观测结果时,很快就发现了这个独特的信号。这项新研究的合著者、哥伦比亚大学的天文学家筎然娜·玛卡(Zsuzsanna Marka)清楚地记得,探测器是在2019年5月21日接收到信号。她是少数几个将手机与宇宙探测实时连接的天体物理学家之一,每当引力波探测器“听”到宇宙中可能的信号时,他们就会收到提醒。

收到提醒之后,玛卡开始检查这些事件中是否伴有中微子爆发。不过,就在当晚,她已经意识到这很可能是一次十分特别的探测。“我不由自主地注意到了巨大的质量,”玛卡说道。她记得当时的想法是:“这太棒了,意义非常重大。这确实是我们希望看到的大规模事件之一,令人难以置信,但还不清楚是否真的存在这样的大质量黑洞。”

黑洞的大小各不相同。根据美国国家航空航天局(NASA)的数据,恒星黑洞(一类由大质量恒星引力坍塌后形成的黑洞)的质量是太阳的10到25倍;超大质量黑洞的质量是太阳的数十万倍到数百万倍以上,一般认为星系中心(包括银河系中心)都会有超大质量黑洞。天文学家推测,可能存在某种介于两者之间的黑洞,即中等质量黑洞。据估计,中等质量黑洞的质量大约为太阳的100倍到1000倍。

中等质量黑洞并不像大多数小型黑洞那样,由垂死的恒星爆发形成。相比由单一恒星引力坍缩形成的恒星黑洞而言,中等质量黑洞的质量显然过大;恒星在爆发过程中总是会失去一些物质,但当恒星达到一定体积后,无论它变大多少,当它爆发时会形成一个质量最高约为太阳65倍的黑洞。根据LIGO团队的研究,更大的恒星在爆发时会失去更多的物质,最终形成同样大小的黑洞。

这一过程可以解释130倍太阳质量的恒星如何形成最高为65倍太阳质量的黑洞,而对于质量更大的恒星(130至250倍太阳质量),则更可能发生不稳定对超新星爆发,恒星将被完全毁灭,不留下黑洞或其他任何残骸。因此,天文学家认为,恒星坍缩不会产生质量在太阳质量65倍至120倍之间的黑洞,这一范围称为“对不稳定性空缺”。

直到最近,中等质量黑洞还只是理论上存在的神秘天体,即使以黑洞的标准来看也十分难以捉摸。利用LIGO的早期探测结果,天文学家对恒星黑洞进行了观察;另一方面,事件视界望远镜也拍摄到了M87星系中心超大质量黑洞的图像,但对于中等质量黑洞,对其进行探测并不容易。

这次新的爆炸事件成为首次探测到中等质量黑洞的证据。天文学家的计算表明,这个引力波信号是一个85倍太阳质量的中等质量黑洞与一个66倍太阳质量的恒星黑洞碰撞时产生的。美国国家科学基金会引力物理学项目主任佩德罗·马罗内蒂(Pedro Marronetti)在一份声明中说:“LIGO再次让我们感到惊喜,它不仅探测到了大小难以解释的黑洞,而且使用的技术并不是专门为恒星合并事件设计的。”LIGO项目是由美国国家科学基金会资助的。

“这非常重要,因为它展示了LIGO探测器的能力,其探测到的信号来自完全不可预见的天体物理事件,”马罗内蒂说,“这项探测表明,LIGO也可以观测到我们意想不到的物体。”

是新的黑洞,还是更奇特的物体?

与往常一样,当涉及到引力波时,天文学家就不得不围绕着探测结果中破译的少量信息来建立假设。他们将这一引力波信号命名为GW190521,发现它的持续时间比LIGO之前探测到的其他信号短得多,只有十分之一秒;它的频率也比之前的黑洞合并事件产生的信号低得多。天文学家还可以追踪该信号至特定的天空区域。

根据这些信息,天体物理学家计算出了碰撞发生的距离——大约70亿光年。他们还可以计算出了两个相撞物体的质量,分别是太阳质量的85倍和66倍,而碰撞后的物体质量大约是太阳质量的142倍(在碰撞过程中,一些质量以引力波能量的形式丢失了)。

由于濒死恒星产生的黑洞大小存在限制,因此这些初始质量表明,至少其中较大的黑洞——也可能是较小的黑洞——本身可能就是两个黑洞碰撞的结果。“两个黑洞合并,形成一个新的黑洞……然后它们再次合并,”玛卡说,“这只有在存在大量黑洞,即黑洞密度很高的环境下才会发生。”

玛卡希望这场碰撞发生在一个活动星系核附近,由于活动星系核的强大引力,可以将其他天体锚定在附近。活动星系核是星系中心的一个致密区域,其发出的辐射被认为是星系中央的超大质量黑洞物质吸积产生的。不过,利用目前有关的数据,天文学家还没有办法确定GW190521背后的确切机制。

从更长远的角度,如果能发现更多正在合并的中等质量黑洞,或许可以解决关于超大质量黑洞的一个重大谜团,即它们的起源。

“它们就像房间里的大象,有上百万个太阳的质量,”美国西北大学天体物理学家、LIGO研究人员克里斯托弗·贝里(Christopher Berry)在另一份声明中说,“它们是由恒星质量黑洞(恒星塌缩时产生)演变而来,还是通过某种未被发现的方式产生的?长期以来,我们一直在寻找一个中等质量黑洞,以填补恒星黑洞和超大质量黑洞之间的空缺。现在,我们有证据证明中等质量黑洞确实存在。”

尽管天文学家对这个引力波信号和发现中等质量黑洞的可能性感到兴奋,但他们并不能肯定目前的假设是正确的。当然,两个85倍和66倍太阳质量的黑洞合并是最符合数据的,但天体物理学家也在考虑其他更奇特的解释。

“如果某种全新的事件产生了这些引力波呢?”美国西北大学的物理学家、LIGO团队专家瓦西莉基·卡洛耶拉(Vicky Kalogera)说,“这样的前景很吸引人。”她还补充道,目前对信号产生原因的假设包括一颗银河系恒星的坍缩,以及某种古老的宇宙弦。

首次发现之后

目前,LIGO和Virgo探测器都处于下线状态。由于新冠肺炎疫情大流行,它们被迫在3月底关闭。不过,天体物理学家正计划升级这两台探测器和它们的算法,以继续探测宇宙中的时空涟漪。

探测器及其算法的升级对于追踪更多像GW190521这样的信号是至关重要的。如果探测器本身更加灵敏,科学家就能捕捉到更遥远的信号;而对数据处理算法进行微调,他们就能更容易地识别像这样的更短信号。

冈萨雷斯表示,探测到两个黑洞的碰撞事件,以及其中某个黑洞本身就是由合并形成的,这预示着宇宙中存在着很多有待观测的信号。“我希望这意味着有更多的黑洞——可能是黑洞的集群,因为它们聚集在一起,所以合并得更频繁,”她说,“我希望这些黑洞集群的规模很大,而且分布在很多地方,这样我们就能探测到更多的黑洞。”

当然,这一切还必须取决于未来的探测结果。“大自然做它该做的,我们不能告诉它该做什么,”冈萨雷斯说,“我们收集数据,取得发现,然后由理论天体物理学家们去推测并提出新的理论,来解释这些巨大的黑洞是如何产生的。”

LIGO和Virgo团队将相关研究的结果发表在9月2日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)和《天体物理学期刊通讯》(The Astrophysical Journal Letters)上,前一篇详细描述了引力波信号的发现过程,后一篇则讨论了该信号的物理性质及天文物理学意义。


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