去年無法解釋的雙黑洞合併,實際可能是暗物質構成的雙玻色子星合併

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 02 日 18:59 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


去年,科學家發現了有史以來最大的雙黑洞合併之重力波事件 GW190521,合併後的新黑洞質量高達太陽質量的 142 倍。然而根據新研究結論,事實上這可能不是雙黑洞碰撞,而是兩顆玻色子星合併。

目前我們發現的黑洞只能歸類為兩大類:一種是恆星黑洞,質量介於太陽質量的 5~數十倍;另一種則是超大質量黑洞,質量為太陽的數百萬甚至數十億倍。而恆星黑洞與超大質量黑洞之間形成了「空白地帶」,科學家找不到質量落在這段間隙的黑洞,僅能假設這段地帶潛伏著中等質量黑洞(IMBH),其質量介於 100~10,000 太陽質量之間。

雖然過去也有發現一些中等質量黑洞線索,但它們存在的證據還待確認。去年 9 月,LIGO 與 Vergo 宣布了重力波訊號 GW190521,根據分析,這道訊號來自 2 個質量分別為太陽 85 倍與 66 倍的黑洞,兩者合併形成一個質量為太陽 142 倍的新黑洞,在當時是首個被確認的中等質量黑洞。

但是這項觀察結果也對現有恆星演化模型帶來巨大挑戰,假如目前恆星出生與死亡理論是正確的,那麼就不可能有恆星在壽命終結塌縮時形成高達 85 個太陽質量的黑洞。要怎麼解釋這個質量達到太陽 85 倍的天體存在?

最近,一個來自加利西亞高能物理研究所(IGFAE)、葡萄牙阿威羅大學、里斯本大學高級技術學院、西班牙瓦倫西亞大學和澳洲蒙納許大學的國際團隊,對 GW190521 訊號來源提出了新的對象:雙玻色子星。

可能由暗物質構成的奇特玻色子星

在新論文的分析中,構成這些恆星的粒子(即超輕玻色子)質量比電子小數十億倍。

玻色子星目前仍是假想中的天體,也是在眾多假想奇特星中最簡單的一種,相較於一般恆星主要由費米子構成,玻色子星由穩定且自相排斥的玻色子構成,且構成物質很可能是假想中的暗物質粒子軸子(Axion)。

也因此,相對於普通恆星因重力作用及核融合而發光,玻色子星理論上是不可見且難以探測的,本質來說玻色子星的作用就像黑洞,具有強大引力可從周遭環境吸收物質並讓光的路徑彎曲,與黑洞事件視界附近的情況類似,兩者差別在於光無法從黑洞中逃逸,但玻色子星沒有這個問題,頂多我們看不見。

研究人員模擬了玻色子星的合併過程,發現它們會產生與 GW190521 事件一致的訊號,或者說,雙玻色子星可以比雙黑洞更合理解釋中等質量黑洞的成因。

團隊指出,由於玻色子星的合併過程比黑洞合併要弱很多,因此計算得出的距離也比原先估計值還要近,這也將導致最終形成的黑洞質量跟著變大,約 250 個太陽質量,依然落在中等質量黑洞範圍內,但能解決原黑洞超出理論上限的問題。

這很可能是發現玻色子星的第一個證據,但目前還不確定,如果這項研究經過嚴格審查並證實,帶來的成就將遠遠超出發現新天體,它將能幫助解開宇宙學中最令人困惑的謎團之一——暗物質,也就是軸子的存在。

新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:IGFAE