天文学家解开了以接近光速旋转的“不可能”黑洞之谜

来自黑洞形成和演化的计算机模拟的静止图像。图片来源：uux.cn/Ore Gottleib/Simons Foundation

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻（穆罕默德·图欣）：2023 年，天文学家目睹了一些违背他们认为自己对宇宙所了解的一切的事情。在数十亿光年之外，两个巨大的黑洞——每个黑洞的质量都比以前见过的任何黑洞都要大得多——相互盘旋，碰撞成一场如此强大的灾难，以至于在时空结构中激起涟漪。这些被称为引力波的涟漪穿越宇宙，最终被地球上的 LIGO-Virgo-KAGRA 天文台探测到。

这次事件被命名为 GW231123，与天文学家遇到的任何事件都不同。黑洞不仅巨大，而且以非凡的速度旋转——如此之快，几乎以光速拖拽了周围的时空。这就是问题所在。根据每一个现有的恒星如何生存和死亡的模型，像这样的黑洞根本不应该存在。

当大质量恒星达到寿命的尽头时，它们会在自身引力的作用下坍缩，并经常爆炸为超新星，留下中子星或黑洞等致密的残余物。但宇宙中有一个奇怪的规则：如果一颗恒星落在一定质量范围内——大约是太阳质量的 70 到 140 倍——它根本不会留下黑洞。相反，它在一种被称为成对不稳定超新星的特殊爆炸中死亡，这种事件如此猛烈，以至于完全摧毁了恒星，只留下星尘。

这造成了科学家所说的“质量间隙”——大自然不应该产生的一系列黑洞大小。然而，GW231123的黑洞正好位于这个禁忌范围内。它们巨大的质量和令人眼花缭乱的旋转毫无意义。

起初，天文学家提出，也许这些黑洞本身就是早期合并的产物——较小的黑洞随着时间的推移而碰撞和结合。但这也不太合适。合并的黑洞往往会失去排列，产生混乱的自旋。相比之下，GW231123黑洞的速度非常快，秩序也完美。

宇宙似乎正在打破自己的规则。

为了解决这个宇宙之谜，熨斗研究所计算天体物理学中心 （CCA） 的天体物理学家 Ore Gottlieb 和他的团队决定采取一种新的方法。他们没有将黑洞形成视为简单的因果链，而是创建了先进的模拟，跟踪大质量恒星的整个生命故事——从出生到死亡再到黑洞形成。

以前的大多数模型都忽略了一个关键因素：磁场。“没有人像我们那样考虑这些系统，”戈特利布解释道。“以前，天文学家只是走捷径，忽视了磁场。但一旦你把它们包括在内，你实际上就可以解释这个独特事件的起源。

磁场虽然看不见，但却是宇宙中最强大的力量之一。它们塑造星系，引导恒星风，并影响物质在恒星和黑洞周围的行为方式。它们也可能控制大质量黑洞的形成方式，这一想法开辟了探索的新领域。

戈特利布的团队首先模拟了一颗质量大约是太阳 250 倍的巨大恒星的生命。数百万年来，这颗巨人烧毁了核燃料，慢慢脱落物质，并在其寿命结束时缩小到大约 150 个太阳质量。这使它刚好高于可怕的质量间隙——大到足以形成一个黑洞，但接近它可能被完全摧毁的阈值。

然后这位明星的生命结束了。重力压碎了它的核心，引发了一颗壮观的超新星。剩下的是一个新生的黑洞，周围环绕着一团旋转的气体和碎片——这是其母恒星的残骸。

传统模型假设几乎所有这些剩余物质都会落入黑洞，增加其质量以匹配原始恒星的质量。但当戈特利布的团队在他们的模拟中加入磁场时，情况发生了巨大变化。

当坍缩恒星的碎片在新生的黑洞周围形成一个旋转的圆盘时，磁场开始发挥惊人的作用。它们像看不见的脚手架一样穿过圆盘，拉扯着旋转的等离子体并产生巨大的压力。

这种磁压做了一些意想不到的事情：它以接近光速从圆盘向外发射出强大的物质射流。所有的恒星物质都没有向内坠落，而是大部分被喷射到太空中。在最极端的情况下，这些流出可能会在恒星被黑洞吞噬之前吹走恒星质量的一半。

这改变了一切。由于进入黑洞的物质较少，最终的黑洞最终比诞生它的恒星轻得多。它正好落在质量间隙内——正是天文学家认为不可能存在黑洞的地方。

“我们发现，旋转和磁场的存在可能会从根本上改变恒星坍缩后的演化，”戈特利布解释道。“它可以使黑洞的质量远低于坍缩恒星的总质量。”

这些模拟不仅解开了黑洞质量之谜，还为黑洞的极端自旋提供了解释。该团队发现，磁场可以调节坍缩物质转移到黑洞的角动量或自旋量。

如果磁场很强，它们会带走恒星的一些自转能量，导致黑洞更轻、旋转更慢。但如果磁场较弱，恒星的角动量就会更多地进入黑洞内部，使其更重、旋转得更快。

磁场强度、质量和自旋之间的这种微妙相互作用表明，一种更深层次的普遍定律可能正在发挥作用——一种将黑洞的特性联系在一起的宇宙平衡。如果得到证实，它可以帮助解释整个宇宙中观察到的各种黑洞，从恒星残余物到星系中心的超大质量巨行星。

模拟揭示了另一条线索，可以帮助天文学家检验他们的理论。由磁场驱动的剧烈流出预计将产生伽马射线爆发，这是宇宙中能量最强的光形式。这些爆发如果被检测到，将成为产生这些不寻常黑洞的过程的指纹。

这种伽马射线闪光可能已经潜伏在现有的望远镜数据中，等待与GW231123等引力波探测连接起来。找到这种联系将为磁场在塑造大质量黑洞中的作用提供直接证据，并揭示这些事件在宇宙历史上的常见程度。

这一发现不仅代表了一个天体物理难题的解决方案，还重塑了我们对恒星如何死亡和黑洞如何诞生的理解。几十年来，科学家们一直认为他们已经绘制了大质量恒星的生命周期。但戈特利布的工作表明，宇宙仍然充满惊喜。

磁场通常被视为一个小细节，但可能成为宇宙最宏伟奥秘之一的关键。他们不仅可以解释禁忌黑洞是如何形成的，还可以解释为什么有些黑洞会疯狂旋转，而另一些黑洞则保持平静。

这项研究也提醒我们更深层次的事情：即使在浩瀚、寂静的太空中，宇宙也是动态的和创造性的。我们看不到的力量将物质和能量塑造成挑战想象力的形式，模糊了可能与不可能之间的界限。

GW231123的黑洞可能在七十亿年前发生了碰撞，但它们的故事直到现在才传到我们这里，伴随着扭曲的时空浪潮。这些涟漪告诉我们，发生了一些非同寻常的事情——一场巨人的相遇，无视宇宙自身的规则而诞生。

由于新的模拟和人类好奇心的力量，我们现在可以一睹这样的宇宙叛逆者是如何形成的。但谜团还远未结束。随着引力波观测站和望远镜变得更加灵敏，天文学家期望发现更多潜伏在黑暗中的奇怪碰撞。

每一次探测都为宇宙的宏大叙事增添了一节经文——一个不是用墨水写成的故事，而是用星光、磁力和引力写成的故事。

最后，不可能的GW231123黑洞证明了一个永恒的真理：宇宙仍然有秘密可以分享，每一个解开的谜团只会加深我们对巨大而美丽的存在机器的惊奇感。

更多信息：Ore Gottlieb 等人，旋转进入间隙：直接地平线坍缩作为端到端广义相对论磁流体动力学模拟GW231123的起源，天体物理学杂志快报 （2025）。DOI：10.3847/2041-8213/ae0d81