作者 | Rosalba Perna

翻译 | 邓云未

迄今为止探测到的最重的黑洞并合事件，其中一个前身黑洞质量处于理论上的质量禁带中，并且为搜寻已久的中等质量黑洞提供了证据。

APS/Alan Stonebrake

图1：LIGO和Virgo探测到有史以来最大规模的黑洞并合所释放的引力波——一个65倍太阳质量的黑洞和一个85倍太阳质量的黑洞并合成一个142倍太阳质量的黑洞。

引力波观测为我们了解宇宙开启了一个新窗口，并首次提供了广义相对论所描述的黑洞存在的直接证据。自2015年以来，已有10个黑洞并合事件被确认，这些观测到的黑洞具有很大的质量范围和不同自旋。现在，LIGO和Virgo探测到了迄今为止最大的黑洞并合事件——一个65倍太阳质量的黑洞和一个85倍太阳质量的黑洞并合形成了一个142倍太阳质量的黑洞(图 1) 。这一事件有两个特殊之处。首先，其中较大的前身黑洞的质量(85倍太阳质量)处于一个质量“空隙”中，但传统的机制预计在这个质量“空隙”中应该不会形成黑洞。其次，对142倍太阳质量的“残骸”的探测是对中等质量黑洞的首次直接观测，这类黑洞的质量大约在一百到数万倍太阳质量之间。

根据爱因斯坦方程，黑洞可以有任何质量。然而，在我们的宇宙中，一定质量的黑洞需要有一定的天体物理过程来创造，这样它们才能存在。大质量恒星的坍缩是黑洞形成的一个重要途径，这对预期的黑洞质量设置了一些限制。

当恒星在剧烈的超新星爆发中死亡时，一个恒星质量的黑洞就形成了。一旦核聚变将恒星的大部分核心转化为铁，超新星爆发就会发生。此时，恒星的核燃料已经耗尽，它的核心开始坍缩。如果恒星的质量大于某个值（估计至少是2.17倍太阳质量），它的核心就注定会坍缩成一个黑洞。以这种方式形成的黑洞可以有很大的质量范围，但最大只能达到由所谓的对不稳定（pair instability）所限制的最大值。

对不稳定是一种通过产生电子-正电子对而耗尽恒星的能量的现象。在一颗炽热的恒星中，核心产生的伽马射线会对恒星外层施加“光子压力”，从而支持它们抵抗引力。然而，如果恒星核心的质量大于约65倍太阳质量，伽马射线就会有效地转化为电子-正电子对，光子辐射压对外层的支持就会减弱，因此外层便向内塌陷，核燃烧以一种失控的方式加速，恒星在爆炸时将不会留下任何黑洞残骸。这一理论所支持的上限为135倍太阳质量，超过这一质量的恒星将直接坍缩成一个黑洞。因此，这种不稳定性在约65倍至约135倍太阳质量之间产生了一个质量“断层”，理论上不会有质量处于这一区间的黑洞产生。到目前为止，LIGO和Virgo探测到的原始黑洞都不在这一区间内。

其他的黑洞观测发现了一个完全不同的质量等级：在质量谱的高端，有证据表明存在10万到数十亿倍太阳质量的“超大质量”黑洞，如银河系中心的黑洞和最近由事件视界望远镜拍摄的M87星系中心的黑洞。中等质量黑洞——这种比超大质量黑洞轻但比恒星级黑洞重的黑洞也被认为可以通过几种机制形成。尽管我们在所谓的极亮X射线源中已经确定了几个候选体，但迄今为止中等质量黑洞还没有被直接观测到。

因此，命名为GW190521的新的并合探测提供了两个显著的结果。142倍太阳质量的残骸证明了中等质量黑洞确实存在。而85倍太阳质量的前身黑洞则令人惊讶地显示了黑洞的质量可以处在对不稳定间隙内。这些发现可能对我们理解黑洞形成的天体物理过程有重要的意义。

有两种情境可能形成一组类似我们所探测到的黑洞双星。在第一种情境下，双星系统中的黑洞是由双星系统中的两颗恒星坍缩而产生的。这就意味着这个85倍太阳质量的黑洞是直接由质量禁带中的一颗恒星形成的。如果是这样的话，这个结果可以通过修正我们的恒星核心核反应模型来解释。最近的计算表明，间隙的下边界敏感地取决于特定核反应（即燃烧碳-12并将其转化为氧-16）的速率。如果这个速率小于当前模型所假设的速率，则质量间隙将向更大的质量偏移，从而能够适应测量值。在第二种情境下，最大的黑洞将是“第二代”黑洞，由两个较小的黑洞合并而成。因此，黑洞双星不是由恒星双星形成的，而是由将两个黑洞聚集在一起的动力学的引力相互作用产生的。并合黑洞的自旋可以帮助区分这两种情况，因为在孤立的双星演化情况下，它们的自旋指向应该是大致对齐的，而在动力学相互作用的情况下，它们的指向应是随机的。研究人员的分析表明，GW190521的两个并合黑洞的自旋很可能是未对齐的。这个结果稍微有利于第二种情况，但并不是决定性的证据。

进一步的线索或许来自对这次并合事件可能的电磁对应体的识别。兹维基瞬态观测设备（Zwicky Transient Facility，简称ZTF）在与GW190521相同的天区探测到了引力波信号发出35天后出现的耀变源。这种耀变可能是由黑洞所处环境中的气体产生的，这些气体被黑洞并合产生的冲击波加热。如果这一耀变源和并合事件之间确实存在联系，那么该并合事件可能发生在一个活跃的星系核的吸积盘上。吸积盘的环境有利于产生大于50倍太阳质量的黑洞，因此在质量间隙中出现黑洞也就不那么令人惊讶了。

在接下来的几年里，LIGO和Virgo的探测器可能会看到更多这种较重的并合事件（见“墨子沙龙”今天的头条）。超大质量黑洞被认为是由中等质量黑洞形成的，更好的统计中等质量黑洞的数量可能有助于理解超大质量黑洞的宇宙学增长。随着更多的发生在理论上的质量禁带内或周围的黑洞事件被探测到，我们就有可能了解黑洞双星是怎么形成的，并解决有关确定黑洞的质量范围的关键核反应问题。

Rosalba Perna：纽约石溪大学物理学和天文学教授。1999年获得哈佛大学物理学博士学位。在哈佛大学担任Junior Fellow和在普林斯顿大学担任Lyman Spitzer Fellow之后，她加入了科罗拉多大学波尔德分校，并于2014年进入石溪大学。她是一位对高能天体物理学、宇宙学和系外行星有着广泛兴趣的理论学家，特别关注中子星、黑洞和爆发现象。她也是美国物理学会的会员。

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