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新浪科技訊 北京時間9月4日消息,，利用引力波探測器,，天文學家發(fā)現(xiàn)了一個142倍太陽質(zhì)量的黑洞，這是迄今為止觀測到的最大規(guī)模的黑洞合并事件,。天體物理學家對這一引力波事件非常關(guān)注,，因為這對目前的黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)。
宇宙中充滿了時空漣漪——引力波——的回響,，現(xiàn)在,，在我們所聽到的“宇宙交響樂”中，又增加了一段新的聲音,。自2015年以來,，天體物理學家一直在使用引力波探測器來“聆聽”宇宙中類似啁啾的信號，并通過解碼這些在時空中產(chǎn)生的細微漣漪,，分析發(fā)出這些信號的大規(guī)模碰撞事件?，F(xiàn)在，根據(jù)激光干涉引力波天文臺（LIGO）和歐洲的室女座干涉儀（Virgo）的一項新研究,，科學家們探測到了一個新的引力波信號,，來自一場快速而劇烈的“爆炸”事件。對該事件的研究或許能幫助我們解開更多的宇宙謎題,。
“這是又一個首次發(fā)現(xiàn),，”美國路易斯安那州立大學的物理學家、這項新研究的團隊成員加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela Gonzalez）說，“我們永遠不會厭倦第一,?！苯?jīng)過一年多的研究，這個被稱為GW190521的奇怪信號使科學家相信,，他們發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大規(guī)模的黑洞合并事件,，其形成的142倍太陽質(zhì)量黑洞也是第一個被清晰探測到的中等質(zhì)量黑洞（即質(zhì)量為太陽質(zhì)量100倍至1000倍的黑洞）。
宇宙中的巨大爆炸
當科學家們仔細梳理引力波探測儀的觀測結(jié)果時,，很快就發(fā)現(xiàn)了這個獨特的信號,。這項新研究的合著者、哥倫比亞大學的天文學家筎然娜·瑪卡（Zsuzsanna Marka）清楚地記得,，探測器是在2019年5月21日接收到信號,。她是少數(shù)幾個將手機與宇宙探測實時連接的天體物理學家之一，每當引力波探測器“聽”到宇宙中可能的信號時,，他們就會收到提醒,。
收到提醒之后，瑪卡開始檢查這些事件中是否伴有中微子爆發(fā),。不過,，就在當晚，她已經(jīng)意識到這很可能是一次十分特別的探測,?！拔也挥勺灾鞯刈⒁獾搅司薮蟮馁|(zhì)量，”瑪卡說道,。她記得當時的想法是：“這太棒了,，意義非常重大。這確實是我們希望看到的大規(guī)模事件之一,，令人難以置信,，但還不清楚是否真的存在這樣的大質(zhì)量黑洞?！?
黑洞的大小各不相同,。根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）的數(shù)據(jù)，恒星黑洞（一類由大質(zhì)量恒星引力坍塌后形成的黑洞）的質(zhì)量是太陽的10到25倍,；超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽的數(shù)十萬倍到數(shù)百萬倍以上,，一般認為星系中心（包括銀河系中心）都會有超大質(zhì)量黑洞。天文學家推測,，可能存在某種介于兩者之間的黑洞,，即中等質(zhì)量黑洞。據(jù)估計,，中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量大約為太陽的100倍到1000倍,。
中等質(zhì)量黑洞并不像大多數(shù)小型黑洞那樣,，由垂死的恒星爆發(fā)形成。相比由單一恒星引力坍縮形成的恒星黑洞而言,，中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量顯然過大,；恒星在爆發(fā)過程中總是會失去一些物質(zhì)，但當恒星達到一定體積后,，無論它變大多少,，當它爆發(fā)時會形成一個質(zhì)量最高約為太陽65倍的黑洞。根據(jù)LIGO團隊的研究,，更大的恒星在爆發(fā)時會失去更多的物質(zhì),，最終形成同樣大小的黑洞。
這一過程可以解釋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,，而對于質(zhì)量更大的恒星（130至250倍太陽質(zhì)量），則更可能發(fā)生不穩(wěn)定對超新星爆發(fā),，恒星將被完全毀滅,，不留下黑洞或其他任何殘骸。因此,，天文學家認為,，恒星坍縮不會產(chǎn)生質(zhì)量在太陽質(zhì)量65倍至120倍之間的黑洞，這一范圍稱為“對不穩(wěn)定性空缺”,。
直到最近,，中等質(zhì)量黑洞還只是理論上存在的神秘天體，即使以黑洞的標準來看也十分難以捉摸,。利用LIGO的早期探測結(jié)果,，天文學家對恒星黑洞進行了觀察；另一方面,，事件視界望遠鏡也拍攝到了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的圖像,，但對于中等質(zhì)量黑洞，對其進行探測并不容易,。
這次新的爆炸事件成為首次探測到中等質(zhì)量黑洞的證據(jù),。天文學家的計算表明，這個引力波信號是一個85倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞與一個66倍太陽質(zhì)量的恒星黑洞碰撞時產(chǎn)生的,。美國國家科學基金會引力物理學項目主任佩德羅·馬羅內(nèi)蒂（Pedro Marronetti）在一份聲明中說：“LIGO再次讓我們感到驚喜,，它不僅探測到了大小難以解釋的黑洞，而且使用的技術(shù)并不是專門為恒星合并事件設計的,?！盠IGO項目是由美國國家科學基金會資助的。
“這非常重要,，因為它展示了LIGO探測器的能力,，其探測到的信號來自完全不可預見的天體物理事件,，”馬羅內(nèi)蒂說，“這項探測表明,，LIGO也可以觀測到我們意想不到的物體,。”
是新的黑洞,，還是更奇特的物體,？
與往常一樣，當涉及到引力波時,，天文學家就不得不圍繞著探測結(jié)果中破譯的少量信息來建立假設,。他們將這一引力波信號命名為GW190521，發(fā)現(xiàn)它的持續(xù)時間比LIGO之前探測到的其他信號短得多,，只有十分之一秒,；它的頻率也比之前的黑洞合并事件產(chǎn)生的信號低得多。天文學家還可以追蹤該信號至特定的天空區(qū)域,。
根據(jù)這些信息,，天體物理學家計算出了碰撞發(fā)生的距離——大約70億光年。他們還可以計算出了兩個相撞物體的質(zhì)量,，分別是太陽質(zhì)量的85倍和66倍,，而碰撞后的物體質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的142倍（在碰撞過程中，一些質(zhì)量以引力波能量的形式丟失了）,。
由于瀕死恒星產(chǎn)生的黑洞大小存在限制,，因此這些初始質(zhì)量表明，至少其中較大的黑洞——也可能是較小的黑洞——本身可能就是兩個黑洞碰撞的結(jié)果,?！皟蓚€黑洞合并，形成一個新的黑洞……然后它們再次合并,，”瑪卡說,，“這只有在存在大量黑洞，即黑洞密度很高的環(huán)境下才會發(fā)生,?！?
瑪卡希望這場碰撞發(fā)生在一個活動星系核附近，由于活動星系核的強大引力,，可以將其他天體錨定在附近,。活動星系核是星系中心的一個致密區(qū)域,，其發(fā)出的輻射被認為是星系中央的超大質(zhì)量黑洞物質(zhì)吸積產(chǎn)生的,。不過，利用目前有關(guān)的數(shù)據(jù),，天文學家還沒有辦法確定GW190521背后的確切機制,。
從更長遠的角度,，如果能發(fā)現(xiàn)更多正在合并的中等質(zhì)量黑洞，或許可以解決關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的一個重大謎團,，即它們的起源,。
“它們就像房間里的大象，有上百萬個太陽的質(zhì)量,，”美國西北大學天體物理學家,、LIGO研究人員克里斯托弗·貝里（Christopher Berry）在另一份聲明中說，“它們是由恒星質(zhì)量黑洞（恒星塌縮時產(chǎn)生）演變而來,，還是通過某種未被發(fā)現(xiàn)的方式產(chǎn)生的,？長期以來，我們一直在尋找一個中等質(zhì)量黑洞,，以填補恒星黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的空缺?，F(xiàn)在，我們有證據(jù)證明中等質(zhì)量黑洞確實存在,?！?
盡管天文學家對這個引力波信號和發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞的可能性感到興奮，但他們并不能肯定目前的假設是正確的,。當然，兩個85倍和66倍太陽質(zhì)量的黑洞合并是最符合數(shù)據(jù)的,，但天體物理學家也在考慮其他更奇特的解釋,。
“如果某種全新的事件產(chǎn)生了這些引力波呢？”美國西北大學的物理學家,、LIGO團隊專家瓦西莉基·卡洛耶拉（Vicky Kalogera）說,，“這樣的前景很吸引人?！彼€補充道,，目前對信號產(chǎn)生原因的假設包括一顆銀河系恒星的坍縮，以及某種古老的宇宙弦,。
首次發(fā)現(xiàn)之后
目前,，LIGO和Virgo探測器都處于下線狀態(tài)。由于新冠肺炎疫情大流行,，它們被迫在3月底關(guān)閉,。不過，天體物理學家正計劃升級這兩臺探測器和它們的算法,，以繼續(xù)探測宇宙中的時空漣漪,。
探測器及其算法的升級對于追蹤更多像GW190521這樣的信號是至關(guān)重要的。如果探測器本身更加靈敏,，科學家就能捕捉到更遙遠的信號,；而對數(shù)據(jù)處理算法進行微調(diào),，他們就能更容易地識別像這樣的更短信號。
岡薩雷斯表示,，探測到兩個黑洞的碰撞事件,，以及其中某個黑洞本身就是由合并形成的，這預示著宇宙中存在著很多有待觀測的信號,?！拔蚁Ｍ@意味著有更多的黑洞——可能是黑洞的集群，因為它們聚集在一起,，所以合并得更頻繁,，”她說，“我希望這些黑洞集群的規(guī)模很大,，而且分布在很多地方,，這樣我們就能探測到更多的黑洞?！?
當然,，這一切還必須取決于未來的探測結(jié)果?！按笞匀蛔鏊撟龅?，我們不能告訴它該做什么，”岡薩雷斯說,，“我們收集數(shù)據(jù),，取得發(fā)現(xiàn)，然后由理論天體物理學家們?nèi)ネ茰y并提出新的理論,，來解釋這些巨大的黑洞是如何產(chǎn)生的,。”
LIGO和Virgo團隊將相關(guān)研究的結(jié)果發(fā)表在9月2日的《物理評論快報》（Physical Review Letters）和《天體物理學期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上,，前一篇詳細描述了引力波信號的發(fā)現(xiàn)過程,，后一篇則討論了該信號的物理性質(zhì)及天文物理學意義。（任天）
