终于发现介于较小黑洞和超大黑洞之间的罕见“中等质量黑洞”

（神秘的地球uux.cn报道）据科研圈：引力波探测器LIGO/Virgo发现了一个142倍太阳质量的黑洞，这是天文学家首次观测到中等质量黑洞，也是目前借助引力波观测到的最大的黑洞。

这个黑洞由两个质量分别为85倍和65倍太阳质量的黑洞合并而成，这也对目前的黑洞形成理论提出了挑战，因为理论预测85倍太阳质量的黑洞是不可能存在的。

相关研究今日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《天体物理学期刊通讯》（Astrophysical Journal Letters）发表，这一发现将帮助我们更好地认识位于一些星系中央的超大质量黑洞。

看似空旷无垠的宇宙中，其实充满了引力波弦音一般的回响。引力波由极端天文物理现象产生，在时空中激起圈圈涟漪，就像宇宙中的铃铛将声音传播出去一样。这一次，研究人员听到了一声巨响。

这次事件是使用引力波观测到的规模最大的黑洞合并事件，其形成的142倍太阳质量黑洞也是第一个被清晰探测到的中等质量黑洞（即质量为太阳质量的100倍至1000倍的黑洞）。这个黑洞由两个质量分别为85倍和65倍太阳质量的黑洞合并而成，这也对目前的黑洞形成理论提出了挑战：根据目前理论，85倍太阳质量的黑洞不可能存在。

这个引力波信号于2019年5月21日分别被位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和位于意大利的Virgo干涉仪探测到，因此研究人员将其命名为GW190521。

今日，LIGO和Virgo科学家团队在国际期刊上发表两篇论文，报告对该信号对研究成果。一篇发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），详细叙述了引力波信号的发现过程；另一篇发表于《天体物理学期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上，讨论了信号的物理性质和天文物理学意义。

令人疑惑的质量空缺

此前，天体物理学家观测到的所有黑洞可以分为两类：恒星级黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞质量为太阳质量的几倍至几十倍，一般认为是质量大的恒星死去后形成的；而超大质量黑洞的质量达到太阳的几百倍、几千倍甚至数十亿倍，在银河系的中心就存在一个这样的黑洞。然而，释放这一引力波信号的最终黑洞质量为太阳质量的142倍，处在恒星级黑洞和超大质量黑洞之间。

根据恒星演化物理，恒星的核中的光子和气体产生向外的压力，平衡了促使横行物质向内的重力，从而保持稳定状态，例如太阳。而当恒星内部的重元素原子（例如铁）发生聚变后，它将无法产生能够支撑外层的压力。而当向外的压力小于重力时，恒星会在自身重量的作用下坍塌，发生核坍缩超新星爆炸（core-collapse supernova），进而形成黑洞。

这个过程可以解释130倍太阳质量的恒星如何形成最高为65倍太阳质量的黑洞。但对于更重的恒星来说，对不稳定性（pair instability）现象也是要考虑的因素。当恒星核中的光子能量极高时，它们会形成电子和反电子对。这些正反电子对产生的压力比光子小，使得恒星更不稳定，更容易发生引力坍缩，进而产生足以摧毁一切的剧烈爆炸。即便是质量更大的恒星，比如200倍太阳质量，最终也会坍缩成为至少为太阳质量120倍的黑洞。因此，坍缩的恒星不会产生质量在太阳质量65倍至120倍之间的黑洞，这个范围称为对不稳定性空缺（pair instability mass gap）。

但是现在，发出GW190521引力波信号的两个黑洞里较重的一个质量为太阳质量的85倍，是目前为止探测到的第一个质量落在这一区间的黑洞。

Virgo成员、来自法国国家科学研究中心（CNRS）的研究员Nelson  Christensen表示：“我们观察到了质量落在这个区间的黑洞，这个事实足以使很多天文物理学家抓耳挠腮，尝试去研究这些黑洞的起源。”

一种可能性是第二篇文章提到的分级合并（hierarchical merger）：在相互接近并发生合并之前，两个原始黑洞分别由更小的两个黑洞合并而成。

“这个天文物理事件引发的疑问比它回答的问题要多，”加州理工学院物理学教授、LIGO成员Alan Weinstein说，“从探索和物理学的角度看，这是件令人激动的事。”

强大的信号

此信号持续时间极短，还不足0.1秒。研究人员推测，GW190521引力波信号来自距地球5吉秒差距（gigaparsec）外的星系，反映了宇宙年龄相当于目前一半时的状态，经历了70亿年的旅程才抵达地球。这也是目前探测到的最遥远的引力波源。

至于信号的来源，科学家根据先进的计算建模工具，推测GW190521最有可能是具有特殊性质的双黑洞合并时产生的信号。目前为止，几乎所有确认的引力波信号均来自于双星合并，包括双黑洞合并和双中子星合并。

LIGO-Virgo团队还分别测量了这两个黑洞的自转情况，发现随着黑洞旋转着相互靠近，它们各自的自转轴可能会偏离轨道的轴向。当这两个庞然大物不断旋转着相互靠近时，轴的错位会导致它们的轨道摇摆不定，或者说发生进动。

这次合并产生了一个质量更大的黑洞，质量约为太阳的142倍，可以以引力波的形式向宇宙释放出相当于太阳质量8倍的巨大能量。Christensen表示：“这和我们通常探测到的啁啾声一般的信号不一样。”和LIGO于2015年第一次探测到的引力波对比，“这个信号如同一声巨响，是LIGO和Virgo目前为止发现的最强大的信号源。”

“意料之外”

LIGO项目由美国国家科学基金会（NSF）资助，其装置由一对长4千米的干涉仪构成。“LIGO再次给我们带来了惊喜。不仅仅是因为它探测到了尺寸难以解释的黑洞，更因为它用的技术并不是特意为研究星系合并而设计的，” NSF引力物理项目主任Pedro Marronetti评价道，“这点意义重大，它向我们展示了仪器具有探测到来自人类未预见的天文物理事件信号的能力。LIGO告诉我们它可以观测我们意想不到的现象。”

当LIGO和Virgo  探测器探测穿过地球的引力波信号时，自动搜索程序会梳理输入数据，寻找研究人员感兴趣的信号。搜索方法有两种：一是用算法寻找可能由两个致密星体构成的系统产生的数据模式，二是更普遍的“突发搜索”（burst searches），寻找一切异常的信号。

LIGO成员、麻省理工学院（MIT）物理学助理教授Salvatore Vitale 把寻找特定模式的算法比喻成“用梳子穿过数据，总会捕捉到一些特定形状的东西”，而突发搜索是一种更加通用的方法。

在GW190521信号的发现中，正是第二种方法挑选出了更清晰一点的信号，发现这种引力波来自除双星合并以外其他来源的可能性很小。

“断言我们发现新东西的门槛很高，”Weinstein表示，“我们一贯遵循奥卡姆剃刀原则：解释越简单越好，就GW190521信号而言，最好的解释便是双黑洞（合并）。”

但是，如果这次的引力波信号来自于一个全新的天体呢？这是个令人着迷的前景，在发表的文章中，科学家们也简短地考虑了其他可能的引力波源。比如它可能是由银河系的某颗正在坍塌的恒星发出的，或者来自宇宙早期产生的弦。不过这些假说对数据的吻合度并不如双黑洞合并假说。

“自从LIGO投入使用以来，所有可信度高的观测均为黑洞或中子星的碰撞。” Weinstein还表示，“在这个现象中，我们的分析表明它有可能不是一次这样的碰撞。尽管这一现象与具有独特质量的双黑洞合并事件相一致，其他解释不被看好，它仍使我们增强了自信。这是件令人兴奋的事。因为我们都期待着找到新事物，渴望发现意料之外的现象来对我们已有的知识提出挑战。而这个天文发现就做到了这点。”

（神秘的地球uux.cn报道）据新浪科技：利用引力波探测器，天文学家发现了一个142倍太阳质量的黑洞，这是迄今为止观测到的最大规模的黑洞合并事件。天体物理学家对这一引力波事件非常关注，因为这对目前的黑洞形成理论提出了挑战。宇宙中充满了时空涟漪——引力波——的回响，现在，在我们所听到的“宇宙交响乐”中，又增加了一段新的声音。

自2015年以来，天体物理学家一直在使用引力波探测器来“聆听”宇宙中类似啁啾的信号，并通过解码这些在时空中产生的细微涟漪，分析发出这些信号的大规模碰撞事件。现在，根据激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲的室女座干涉仪（Virgo）的一项新研究，科学家们探测到了一个新的引力波信号，来自一场快速而剧烈的“爆炸”事件。对该事件的研究或许能帮助我们解开更多的宇宙谜题。

“这是又一个首次发现，”美国路易斯安那州立大学的物理学家、这项新研究的团队成员加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela Gonzalez）说，“我们永远不会厌倦第一。”经过一年多的研究，这个被称为GW190521的奇怪信号使科学家相信，他们发现了迄今为止最大规模的黑洞合并事件，其形成的142倍太阳质量黑洞也是第一个被清晰探测到的中等质量黑洞（即质量为太阳质量100倍至1000倍的黑洞）。

宇宙中的巨大爆炸

根据2019年5月21日探测到的引力波信号，天文学家的推测，该信号是一个85倍太阳质量的中等质量黑洞与一个66倍太阳质量的恒星黑洞碰撞时产生的，最后形成了一个142倍太阳质量的中等质量黑洞。

当科学家们仔细梳理引力波探测仪的观测结果时，很快就发现了这个独特的信号。这项新研究的合著者、哥伦比亚大学的天文学家筎然娜·玛卡（Zsuzsanna Marka）清楚地记得，探测器是在2019年5月21日接收到信号。她是少数几个将手机与宇宙探测实时连接的天体物理学家之一，每当引力波探测器“听”到宇宙中可能的信号时，他们就会收到提醒。

收到提醒之后，玛卡开始检查这些事件中是否伴有中微子爆发。不过，就在当晚，她已经意识到这很可能是一次十分特别的探测。“我不由自主地注意到了巨大的质量，”玛卡说道。她记得当时的想法是：“这太棒了，意义非常重大。这确实是我们希望看到的大规模事件之一，令人难以置信，但还不清楚是否真的存在这样的大质量黑洞。”

黑洞的大小各不相同。根据美国国家航空航天局（NASA）的数据，恒星黑洞（一类由大质量恒星引力坍塌后形成的黑洞）的质量是太阳的10到25倍；超大质量黑洞的质量是太阳的数十万倍到数百万倍以上，一般认为星系中心（包括银河系中心）都会有超大质量黑洞。天文学家推测，可能存在某种介于两者之间的黑洞，即中等质量黑洞。据估计，中等质量黑洞的质量大约为太阳的100倍到1000倍。

中等质量黑洞并不像大多数小型黑洞那样，由垂死的恒星爆发形成。相比由单一恒星引力坍缩形成的恒星黑洞而言，中等质量黑洞的质量显然过大；恒星在爆发过程中总是会失去一些物质，但当恒星达到一定体积后，无论它变大多少，当它爆发时会形成一个质量最高约为太阳65倍的黑洞。根据LIGO团队的研究，更大的恒星在爆发时会失去更多的物质，最终形成同样大小的黑洞。

这一过程可以解释130倍太阳质量的恒星如何形成最高为65倍太阳质量的黑洞，而对于质量更大的恒星（130至250倍太阳质量），则更可能发生不稳定对超新星爆发，恒星将被完全毁灭，不留下黑洞或其他任何残骸。因此，天文学家认为，恒星坍缩不会产生质量在太阳质量65倍至120倍之间的黑洞，这一范围称为“对不稳定性空缺”。

直到最近，中等质量黑洞还只是理论上存在的神秘天体，即使以黑洞的标准来看也十分难以捉摸。利用LIGO的早期探测结果，天文学家对恒星黑洞进行了观察；另一方面，事件视界望远镜也拍摄到了M87星系中心超大质量黑洞的图像，但对于中等质量黑洞，对其进行探测并不容易。

这次新的爆炸事件成为首次探测到中等质量黑洞的证据。天文学家的计算表明，这个引力波信号是一个85倍太阳质量的中等质量黑洞与一个66倍太阳质量的恒星黑洞碰撞时产生的。美国国家科学基金会引力物理学项目主任佩德罗·马罗内蒂（Pedro Marronetti）在一份声明中说：“LIGO再次让我们感到惊喜，它不仅探测到了大小难以解释的黑洞，而且使用的技术并不是专门为恒星合并事件设计的。”LIGO项目是由美国国家科学基金会资助的。

“这非常重要，因为它展示了LIGO探测器的能力，其探测到的信号来自完全不可预见的天体物理事件，”马罗内蒂说，“这项探测表明，LIGO也可以观测到我们意想不到的物体。”

是新的黑洞，还是更奇特的物体？

与往常一样，当涉及到引力波时，天文学家就不得不围绕着探测结果中破译的少量信息来建立假设。他们将这一引力波信号命名为GW190521，发现它的持续时间比LIGO之前探测到的其他信号短得多，只有十分之一秒；它的频率也比之前的黑洞合并事件产生的信号低得多。天文学家还可以追踪该信号至特定的天空区域。

根据这些信息，天体物理学家计算出了碰撞发生的距离——大约70亿光年。他们还可以计算出了两个相撞物体的质量，分别是太阳质量的85倍和66倍，而碰撞后的物体质量大约是太阳质量的142倍（在碰撞过程中，一些质量以引力波能量的形式丢失了）。

由于濒死恒星产生的黑洞大小存在限制，因此这些初始质量表明，至少其中较大的黑洞——也可能是较小的黑洞——本身可能就是两个黑洞碰撞的结果。“两个黑洞合并，形成一个新的黑洞……然后它们再次合并，”玛卡说，“这只有在存在大量黑洞，即黑洞密度很高的环境下才会发生。”

玛卡希望这场碰撞发生在一个活动星系核附近，由于活动星系核的强大引力，可以将其他天体锚定在附近。活动星系核是星系中心的一个致密区域，其发出的辐射被认为是星系中央的超大质量黑洞物质吸积产生的。不过，利用目前有关的数据，天文学家还没有办法确定GW190521背后的确切机制。

从更长远的角度，如果能发现更多正在合并的中等质量黑洞，或许可以解决关于超大质量黑洞的一个重大谜团，即它们的起源。

“它们就像房间里的大象，有上百万个太阳的质量，”美国西北大学天体物理学家、LIGO研究人员克里斯托弗·贝里（Christopher Berry）在另一份声明中说，“它们是由恒星质量黑洞（恒星塌缩时产生）演变而来，还是通过某种未被发现的方式产生的？长期以来，我们一直在寻找一个中等质量黑洞，以填补恒星黑洞和超大质量黑洞之间的空缺。现在，我们有证据证明中等质量黑洞确实存在。”

尽管天文学家对这个引力波信号和发现中等质量黑洞的可能性感到兴奋，但他们并不能肯定目前的假设是正确的。当然，两个85倍和66倍太阳质量的黑洞合并是最符合数据的，但天体物理学家也在考虑其他更奇特的解释。

“如果某种全新的事件产生了这些引力波呢？”美国西北大学的物理学家、LIGO团队专家瓦西莉基·卡洛耶拉（Vicky Kalogera）说，“这样的前景很吸引人。”她还补充道，目前对信号产生原因的假设包括一颗银河系恒星的坍缩，以及某种古老的宇宙弦。

首次发现之后

目前，LIGO和Virgo探测器都处于下线状态。由于新冠肺炎疫情大流行，它们被迫在3月底关闭。不过，天体物理学家正计划升级这两台探测器和它们的算法，以继续探测宇宙中的时空涟漪。

探测器及其算法的升级对于追踪更多像GW190521这样的信号是至关重要的。如果探测器本身更加灵敏，科学家就能捕捉到更遥远的信号；而对数据处理算法进行微调，他们就能更容易地识别像这样的更短信号。

冈萨雷斯表示，探测到两个黑洞的碰撞事件，以及其中某个黑洞本身就是由合并形成的，这预示着宇宙中存在着很多有待观测的信号。“我希望这意味着有更多的黑洞——可能是黑洞的集群，因为它们聚集在一起，所以合并得更频繁，”她说，“我希望这些黑洞集群的规模很大，而且分布在很多地方，这样我们就能探测到更多的黑洞。”

当然，这一切还必须取决于未来的探测结果。“大自然做它该做的，我们不能告诉它该做什么，”冈萨雷斯说，“我们收集数据，取得发现，然后由理论天体物理学家们去推测并提出新的理论，来解释这些巨大的黑洞是如何产生的。”

LIGO和Virgo团队将相关研究的结果发表在9月2日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《天体物理学期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上，前一篇详细描述了引力波信号的发现过程，后一篇则讨论了该信号的物理性质及天文物理学意义。