导读2022年1月13整理发布:引力波天文台探测到了目前为止最大质量的黑洞发生的并合事件,这或许会改变我们对黑洞形成的认知。我们通过引力波所

2022年1月13整理发布:引力波天文台探测到了目前为止最大质量的黑洞发生的并合事件,这或许会改变我们对黑洞形成的认知。

我们通过引力波所观测到的,有史以来最大质量的双黑洞碰撞事件所引起的时空涟漪。

2019年5月21日,格林尼治时间3时2分29秒(北京时间21日11时2分29秒),的LIGO引力波探测器以及欧洲的Virgo引力波探测器共同观测到一个微小的时空涟漪,证明了中等质量黑洞的存在。这次的引力波信号也向天体物理学家讲述了这些“贪吃”的大天体如何生长的故事。

“这实在是无比的激动人心!”普林斯顿大学的一位黑洞研究员Jenny Greene说。

这个持续时长仅0.1秒的引力波信号,被命名为GW190521。大约七十亿年前,在一个遥远的星系当中,两个恒星级黑洞在发生碰撞与融合,最终形成一个142倍太阳质量的庞然大物的时候,发出了这段信号。这个142倍太阳质量的黑洞,是我们目前为止通过引力波探测到的最大质量的黑洞。这样的融合事件暗示着,黑洞其实可以通过碰撞与融合逐渐“生长”,或许甚至可以通过数次这样的事件,最终形成那些位于星系中心的超大质量黑洞。

来自荷兰乌得勒支大学,同时也是Virgo团队成员的Chris van Den Broeck表示,这次的引力波信号较短的持续时间和较低的频率,都让它的来源变得难以确定。有很多种推测都可以较为合理地解释这段信号,即使有的推测显得比较奇异。然而,这段信号最有可能的来源仍旧是双黑洞并合事件。关于这段信号更加详细的分析已经于2019年9月2日在《物理评论快报》上发布。文章中指出,这次发生碰撞的两颗黑洞都具有史无前例的较大质量,分别为66倍太阳质量和85倍太阳质量。

使用引力波探测到的,最大质量的双黑洞碰撞引起的时空涟漪

图片来源:Deborah Ferguson / Karan Jani / Deirdre Shoemaker / Pablo Laguna / Georgia Tech / MAYA Collaboration

已有的天文学知识告诉我们,超新星爆发后产生的黑洞的质量,不会处在65倍太阳质量与120倍太阳质量之间。如果要产生处在这个质量范围内的黑洞,那么原始恒星的质量就需要在130倍太阳质量与200倍太阳质量之间。然而,如此大质量的恒星在演化的过程中,会受到“对不稳定性”过程的影响。这种过程会将恒星完全炸开,难以留下什么残余。

因此,在这次黑洞并合事件中,至少那一颗85倍太阳质量的黑洞——或许那颗66倍太阳质量的黑洞也是一样——可以肯定是以一种完全不同的方式形成的。或许,它也来自于一次发生时间更早的融合事件。“一颗85倍太阳质量的黑洞不会是直接产生的。这或许正提醒我们,在像球状星团这样较为拥挤的环境中,或许一直在发生这种逐级的融合事件。”

这一次的引力波探测结果,不仅仅意味着人们首次观察到了一颗处于“对不稳定性质量范围”中的黑洞。这次融合事件的结果,也是人类第一次通过可靠的观测手段找到了超过100倍太阳质量的黑洞。“这些都是我们一直在寻找的,形成那些超大质量黑洞的‘种子’。”来自北京大学的何子山教授这样说。

这幅图展示了我们观测到的黑洞与中子星的质量分布。紫色代表使用电磁手段(光学或射电观测)找到的黑洞,蓝色代表通过引力波探测到的黑洞,黄色代表使用电磁手段观测到的中子星,橙色代表通过引力波探测到的中子星。本次探测到的GW190521突出显示在图片的中央部分,因为这一次,两颗黑洞并合后产生的是我们有史以来通过引力波探测到的最大质量的黑洞。

图片来源:LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller

中等质量黑洞填补了恒星质量黑洞与超大质量黑洞之间的间隙。恒星质量黑洞一般在超新星爆发时产生,而超大质量黑洞一般可以在星系中心观察到,它们可以重达数百万或数十亿倍的太阳质量。根据同时发表在《天体物理学杂志快报》上的一篇报道,这一次观测到的GW190521事件证明了中等质量黑洞可以来源于两个较小质量黑洞的融合。这意味着,中等质量黑洞或许真的就是我们在推测超大质量黑洞形成过程时缺失的一环。

然而,Strader指出,超大质量黑洞形成的逐级融合理论同样存在自己的问题。模拟的结果表明,融合事件的产物大多会从物质分布比较致密的环境中喷出,而那些物质分布致密的环境,才是逐级的融合事件需要发生的地方。“我猜想,像GW190521这样的事件并不与超大质量黑洞的形成相关。超大质量黑洞或许需要由更大质量的原料形成,或者它们的形成根本就是依赖最初的气体吸积过程而非融合。”他说。

Greene研究员近期与Strander和何子山教授共同在《年度回顾》期刊上共同发表了一篇关于中等质量黑洞的综述。她认为,目前提出的所有超大质量黑洞形成的理论都存在自己的问题。“我们不可能有足够的运气,去得出‘所有中等质量黑洞都是通过同一种过程形成’的结论。”她说,“然而,如果我们可以肯定地说,一系列的黑洞融合事件是可以发生的,我们确实会得到一些非常重要的新知。”

Van Den Broeck指出,未来的引力波探测设备,例如欧洲提出的爱因斯坦望远镜计划,以及提出的宇宙探索者计划,将有能力去探测更大质量的黑洞的融合以及形成事件。它们将有可能探测到200倍到1000倍太阳质量的黑洞的形成,而这些是目前的LIGO和Virgo探测器由于波段限制而无法做到的。最终,天文学家或许能通过这些研究,揭开在宇宙的历史中,这些中等质量黑洞的诞生与发展的过程。