重大發現!偵測到迄今最大雙黑洞合併之重力波,融成理論上的中等質量黑洞

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 03 日 15:52 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


讓科學家摸不著頭緒、理論上確信存在但始終找不到直接證據的中等質量黑洞,終於現身了!LIGO 與 Virgo 重力波天文台證實於去年 9 月探測到有史以來最大的雙黑洞合併事件,兩者質量分別為太陽的 66 和 85 倍,並且最終融合成太陽質量 142 倍的黑洞,正落在中等質量黑洞範圍內。

中等質量黑洞(Intermediate-mass black hole)是質量介於太陽 100~1,000,000 倍的一種理論黑洞,比恆星黑洞(數十倍太陽質量)大,但遠小於超大質量黑洞(數十萬倍太陽質量),它們是上述 2 種黑洞之間謎一般的缺失環節,天文學家肯定中等質量黑洞一定存在(畢竟超大質量黑洞形成的其中一個理論就是透過恆星黑洞不斷合併變大,代表過程一定會有中等質量黑洞這個過渡期),但迄今為止,我們只有寥寥數個無直接證據的「候選」對象。

2019 年 5 月 21 日凌晨,LIGO 與 Virgo 接收到持續約 0.1 秒的重力波訊號 GW190521,起源於 70 億光年以外,研究成員表示,這次訊號聽起來不像我們平常認識的啁啾聲(chirp,指頻率隨時間而增加或減少的訊號),反而更像「爆炸(bang)」,同時也是 LIGO與 Virgo 目前接收過最大的訊號。

研究人員使用了 4 種不同算法來確定黑洞合併的質量、以及釋放出多少能量,計算結果驚人表明,在不到 1 秒鐘時間內,70 億光年外的 2 個黑洞合併釋出之能量約太陽能量 8 倍,並且 2 個黑洞質量分別為太陽的 66 和 85 倍,融合成一個太陽 142 倍的中等質量黑洞,這裡立下 2 大里程碑:第一,天文學家第一次握有清晰的中等質量黑洞重力波數據;第二,發現質量介於「灰色地帶」的黑洞。

根據愛因斯坦方程,黑洞可以具有任意質量,但宇宙只有透過天體物理學過程才能製造出一定質量的黑洞,大質量恆星崩潰是形成黑洞的一條關鍵途徑,卻也對黑洞質量設下了一些限制:根據恆星演化學,來自恆星核心光子與氣體的向外壓力會與向內推動的重力相抗衡,使恆星維持穩定,一旦這兩股力失衡,恆星就會在自身重力作用下塌縮引發超新星爆炸,視恆星本身質量可能變成白矮星、中子星或黑洞。

一顆質量高達太陽質量 130 倍的恆星可直接塌縮成 65 倍太陽質量的黑洞,但更大一點的恆星卻會開始存在「不穩定對」現象,由此產生的爆炸足夠強大,不會留下任何東西(不會形成中子星或黑洞),直到質量超過太陽 200 倍的恆星,才會又直接塌陷成 120 倍太陽質量的黑洞。也就是說,質量介於 65~120 倍之間的黑洞是塊灰色地帶,理論上,不會發現單顆恆星直接塌縮成質量介於 66~120 倍的黑洞。

而 GW190521 事件證明了現有模型的出入,天文學家不只發現 2 個質量都落在灰色地帶的黑洞,它們還進化成讓科學家遍尋無果的中等質量黑洞。研究人員考慮了其中一種可能性是「分層合併」:這 2 個黑洞也許不是來自恆星直接塌縮,而是來自另外 2 個更小黑洞的合併,如下圖所示。

▲ 黑洞一層一層合併的過程。(Source:LIGO

雖然還有另一種解釋認為重力波可能來自宇宙弦,不過這解釋起來就複雜了,研究團隊退回奧卡姆剃刀(Occam’s Razor)法則:最簡單的假設也許最正確。

又如果,中等質量黑洞真的來自其他恆星黑洞一步一步合併,也許可再說明超大質量黑洞周圍的氣體盤中,確實藏有很多小黑洞。

兩篇新論文分別發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)與《天文物理期刊通訊》(The Astrophysical Journal Letters)。

(首圖來源:LIGO

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