引力波探測再次帶來震撼：大規(guī)模黑洞合并事件昭示天體物理學(xué)新問題

武文浩

在大眾輿論中沉寂數(shù)年后，引力波再次進(jìn)入人們的視野。這一次，它似乎是要向我們講述一個宇宙中“本不應(yīng)該發(fā)生的故事”。

根據(jù)兩篇研究論文——分別刊登于《物理學(xué)評論快報(bào)》上和《天體物理學(xué)期刊快報(bào)》上的介紹，位于美國的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）和位于意大利的 “處女座” 引力波探測儀（Virgo），均于 2019 年 5 月探測到了約四次短時的空間震動，每次震動持續(xù)時間不超過十分之一秒。LIGO 和 Virgo 的研究人員隨后將此次探測到的信號標(biāo)記為了 GW190521 信號。

根據(jù)論文，此次事件的信號源距地球約五吉秒差距（Gpc，一吉秒差距約相當(dāng)于 32.6 億光年），在信號源發(fā)出信號時，宇宙的年齡僅為當(dāng)前的一半，而 GW190521 也因此成為了人類迄今為止所探測到的最遠(yuǎn)的引力波事件。

在地球上的引力波探測設(shè)施至今所探測到的合并事件中，參與合并的天體不是兩個黑洞，就是兩個中子星。而根據(jù)論文所給出的計(jì)算，研究人員認(rèn)為，產(chǎn)生此次信號的事件很有可能是一次規(guī)模巨大的雙黑洞合并事件，并認(rèn)為參與合并的兩個黑洞質(zhì)量分別約為 85 和 66 倍太陽質(zhì)量，兩個黑洞合并后所形成的新黑洞質(zhì)量約為 142 個太陽質(zhì)量，事件本身向外釋放了約 8 個太陽質(zhì)量所蘊(yùn)含的能量，并以引力波的形式擴(kuò)散至整個宇宙，使得 GW190521 除了是人類目前探測到的最遠(yuǎn)的引力波信號，也是目前我們探測到的規(guī)模最大的天體合并事件。

此外，研究人員還認(rèn)為，根據(jù)對兩個黑洞自旋的測量，隨著參與合并事件的兩個黑洞彼此間的距離越來越近，兩個黑洞也越來越傾向于繞著它們自身，與運(yùn)動軌道不同的軸向旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)），導(dǎo)致運(yùn)動軌跡發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使兩個黑洞在合并前的運(yùn)動軌跡呈螺旋形。

首次觀測到質(zhì)量異常的黑洞

法國國家科學(xué)中心研究員 Nelson Christensen 說：“此次信號與我們此前所探測到的黑洞合并事件所產(chǎn)生的信號有所不同，與 LIGO 于 2015 年首次探測到的黑洞合并事件所放出的引力波信號相比，此次的信號簡直就像是一次‘爆炸，而這也確實(shí)是 LIGO 和 Virgo 至今探測到的最‘大的事件?！?/p>

美國國家引力物理項(xiàng)目主任 Pedro Marronetti 說：“這次的信號可以說是 LIGO 為我們帶來的又一個驚喜，這種儀器起初并不是為了專門探測恒星級的合并事件而被設(shè)計(jì)的，但它不但能持續(xù)探測到這些事件，還能探測到那些包含‘質(zhì)量異常的天體的這類事件?！?/p>

我們此前所觀測到的所有黑洞都能被分為兩類，一類是恒星級黑洞（質(zhì)量為幾倍到數(shù)十倍太陽質(zhì)量，一般由大質(zhì)量恒星死亡時產(chǎn)生），一類是超大質(zhì)量黑洞（質(zhì)量為成千上萬倍甚至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量，銀河系中心就有一個），而此次產(chǎn)生 GW190521 信號的事件所合并出的黑洞，質(zhì)量為 142 倍太陽質(zhì)量，位于上述兩種分類之間，屬人類首次被觀測到的一個 “中階” 黑洞;而合并為該黑洞的那兩個黑洞質(zhì)量也較為巨大，以至于有研究人員認(rèn)為那兩個黑洞可能并非由大質(zhì)量恒星坍縮而成。

根據(jù)現(xiàn)有的恒星演化理論，恒星內(nèi)部由光子和氣體產(chǎn)生的向外的力會支撐恒星抵抗向內(nèi)的引力，使恒星處于相對穩(wěn)定狀態(tài)（比如太陽），但當(dāng)大質(zhì)量恒星的燃料燃燒殆盡時，其星核所產(chǎn)生的向外的支撐力便會小于重力，導(dǎo)致恒星在自身引力的作用下坍縮，形成超新星爆炸，并最終變成中子星或黑洞。

上述理論能解釋質(zhì)量為 130 倍以下太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星如何能最終變?yōu)橘|(zhì)量為 65 倍以下太陽質(zhì)量的黑洞，但對于質(zhì)量更大的恒星來說，一種名為 “對不穩(wěn)定性” 的現(xiàn)象將在恒星死亡時被引發(fā)，在這一過程中，星核內(nèi)處于超高能狀態(tài)的光子會變?yōu)椤半娮?-反電子”對，這些電子-反電子對所產(chǎn)生的向外的力要小于光子能產(chǎn)生的力，使得恒星在短時間內(nèi)變得極不穩(wěn)定，最終演變?yōu)橐淮螐?qiáng)勁的 “對不穩(wěn)定性” 超新星爆炸，使一切都蕩然無存;而質(zhì)量更高的恒星（比如 200 倍以上太陽質(zhì)量）則會最終坍縮為至少 120 倍太陽質(zhì)量的黑洞。由此，65 至 120 倍太陽質(zhì)量間的這個區(qū)間，被天文學(xué)家們稱為 “對不穩(wěn)定性質(zhì)量空缺” 區(qū)間，理論上說，直接由一顆恒星坍縮形成的黑洞質(zhì)量是不會落在這個區(qū)間的。

但此次制造 GW190521 事件的兩個黑洞，質(zhì)量分別約為 66 倍與 85 倍太陽質(zhì)量，是人類首次觀測到質(zhì)量位于 65 倍～20 倍太陽質(zhì)量這一“對不穩(wěn)定性質(zhì)量空缺” 區(qū)間內(nèi)的黑洞。

兩篇論文中，發(fā)表在《物理學(xué)評論快報(bào)》上的這篇著重探討事件物理意義（另一篇著重介紹此次發(fā)現(xiàn)過程），論文作者認(rèn)為造成這種情況出現(xiàn)的一個可能原因，或許是參與合并事件的兩個黑洞此前也是由較小的黑洞合并而成。

LIGO 研究員、加州理工學(xué)院物理學(xué)教授 Alan Weinstein 說：“此次發(fā)現(xiàn)對物理和天體物理學(xué)界提出的問題要遠(yuǎn)多于它所能回答的問題，不得不說這著實(shí)是一次令人興奮的事件?！币饬现獬速|(zhì)量異常，GW190521 還隱藏著許多其他問題。比如，一般 LIGO 和 Virgo 在接收到穿過地球的信號時，為這類設(shè)備所設(shè)計(jì)的一套數(shù)據(jù)篩選算法會自動將收集到的數(shù)據(jù)以兩種方法進(jìn)行分析，一種是通過特定的波形來判斷信號是否由雙星系統(tǒng)產(chǎn)生，一種是更為普適的尋找 “突發(fā)式” 信號的方法，用于判定發(fā)出信號的事件是否十分獨(dú)特、值得被研究。而此次 GW190521 信號的源頭事件雖由一個 “雙星系統(tǒng)” 產(chǎn)生，但算法卻是用第二種，即更為普適的尋找 “突發(fā)式” 信號的方法分析出了這一信號。

LIGO 研究員，麻省理工學(xué)院助理教授 Salvatore Vitale 說：“通過特定波形判斷信號是否由雙星系統(tǒng)發(fā)出，實(shí)際上是以特定條件（比如固定時間差）對數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，而‘突發(fā)式信號搜索則更像是一種‘全包的方法?！?/p>

有研究人員認(rèn)為，由 “突發(fā)式” 信號搜索分析出的 GW190521 信號其實(shí)也有可能不是由雙星系統(tǒng)產(chǎn)生——如果真是那樣，那將意味著科學(xué)家第一次借助于引力波探測到了并非由雙星合并制造的天體物理學(xué)事件。Alan Weinstein 說：“這種說法并非完全沒有可能，但目前已知的信息還不足以幫助我們斷言此次事件就是一種全新的事件，因此至少從可能性上來說，信號由雙星系統(tǒng)產(chǎn)生目前仍是我們的‘最佳選項(xiàng)。但值得注意的是，此次事件目前確實(shí)也存在著其他可能，雖然自 LIGO 開機(jī)以來，我們所探測到的所有事件都是黑洞或中子星的雙星系統(tǒng)融合事件，但此次探測到的信號所預(yù)示的一些內(nèi)容確實(shí)已經(jīng)超出了我們的理論預(yù)測范圍，這無疑是令人興奮的。”

（摘自美《深科技》）（編輯/小文）