終于發(fā)現(xiàn)介于較小黑洞和超大黑洞之間的罕見“中等質(zhì)量黑洞”
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)cnBeta：外媒報(bào)道，盡管科學(xué)家們最近才能捕捉到黑洞的發(fā)現(xiàn)圖像，但他們對(duì)黑洞卻了解得不少。介于較小間淄博外圍模特預(yù)約（外圍經(jīng)紀(jì)人）外圍女vx：365-*2895）這些密度極高的黑洞和超罕見黑洞天體會(huì)吸收任何靠其很近的天體，它們是大黑洞大多數(shù)星系的中心，至少天文學(xué)家是終于中等質(zhì)量這樣認(rèn)為的。另外目前已知的發(fā)現(xiàn)是黑洞有兩種類型：標(biāo)準(zhǔn)版（較小版）的質(zhì)量被認(rèn)為是太陽的5到100倍；另一個(gè)版本是超大質(zhì)量版，其質(zhì)量是介于較小間太陽的1000倍以上。
那么介于這兩者之間的黑洞和超罕見黑洞有沒有其他類型的黑洞呢？天學(xué)家們可能終于找到了答案。
“中等質(zhì)量黑洞”已經(jīng)躲避天文學(xué)家很長(zhǎng)時(shí)間了，大黑洞但他們知道這樣的終于中等質(zhì)量黑洞一定存在于某個(gè)地方，事實(shí)證明，發(fā)現(xiàn)找到這樣一個(gè)黑洞是介于較小間一個(gè)難以置信的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，黑洞和超罕見黑洞研究人員在觀察了數(shù)十億光年之外的大黑洞兩個(gè)黑洞合并的同時(shí)相信他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)中等質(zhì)量黑洞的誕生。
通過利用地球上三個(gè)天文臺(tái)的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)質(zhì)量分別為地球85倍和66倍的黑洞。相對(duì)而言，這兩個(gè)黑洞都較小，但在它們合并后則形成了一個(gè)介于標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞之間的淄博外圍模特預(yù)約（外圍經(jīng)紀(jì)人）外圍女vx：365-*2895）黑洞。
這些觀測(cè)都是通過引力波進(jìn)行的，而引力波需要耗費(fèi)70億年才到達(dá)地球。這是一段難以置信的距離，所以發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的科學(xué)家們顯然感到非常得興奮。
雖然這是足以令人瘋狂的發(fā)現(xiàn)，但現(xiàn)在仍有許多待解的問題，其中最重要的是為什么中等質(zhì)量的黑洞在太空中如此罕見。所謂的“黑洞沙漠”在較小黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間是相當(dāng)空的，研究人員想找出其中的原因。有一種理論認(rèn)為，一旦黑洞達(dá)到一定的大小，它們就會(huì)開始以更快的速度吞噬更多的物質(zhì)，進(jìn)而很快就會(huì)變成超大質(zhì)量黑洞。但就目前而言，這種解釋仍只算是一種有根據(jù)的猜測(cè)。
相關(guān)報(bào)道：“不可能質(zhì)量”黑洞被發(fā)現(xiàn)，探測(cè)到迄今最強(qiáng)引力波源
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)科研圈：引力波探測(cè)器LIGO/Virgo發(fā)現(xiàn)了一個(gè)142倍太陽質(zhì)量的黑洞，這是天文學(xué)家首次觀測(cè)到中等質(zhì)量黑洞，也是目前借助引力波觀測(cè)到的最大的黑洞。
這個(gè)黑洞由兩個(gè)質(zhì)量分別為85倍和65倍太陽質(zhì)量的黑洞合并而成，這也對(duì)目前的黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)槔碚擃A(yù)測(cè)85倍太陽質(zhì)量的黑洞是不可能存在的。
相關(guān)研究今日在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）和《天體物理學(xué)期刊通訊》（Astrophysical Journal Letters）發(fā)表，這一發(fā)現(xiàn)將幫助我們更好地認(rèn)識(shí)位于一些星系中央的超大質(zhì)量黑洞。
看似空曠無垠的宇宙中，其實(shí)充滿了引力波弦音一般的回響。引力波由極端天文物理現(xiàn)象產(chǎn)生，在時(shí)空中激起圈圈漣漪，就像宇宙中的鈴鐺將聲音傳播出去一樣。這一次，研究人員聽到了一聲巨響。
這次事件是使用引力波觀測(cè)到的規(guī)模最大的黑洞合并事件，其形成的142倍太陽質(zhì)量黑洞也是第一個(gè)被清晰探測(cè)到的中等質(zhì)量黑洞（即質(zhì)量為太陽質(zhì)量的100倍至1000倍的黑洞）。這個(gè)黑洞由兩個(gè)質(zhì)量分別為85倍和65倍太陽質(zhì)量的黑洞合并而成，這也對(duì)目前的黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)：根據(jù)目前理論，85倍太陽質(zhì)量的黑洞不可能存在。
這個(gè)引力波信號(hào)于2019年5月21日分別被位于美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和位于意大利的Virgo干涉儀探測(cè)到，因此研究人員將其命名為GW190521。
今日，LIGO和Virgo科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊上發(fā)表兩篇論文，報(bào)告對(duì)該信號(hào)對(duì)研究成果。一篇發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters），詳細(xì)敘述了引力波信號(hào)的發(fā)現(xiàn)過程；另一篇發(fā)表于《天體物理學(xué)期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上，討論了信號(hào)的物理性質(zhì)和天文物理學(xué)意義。
令人疑惑的質(zhì)量空缺
此前，天體物理學(xué)家觀測(cè)到的所有黑洞可以分為兩類：恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級(jí)黑洞質(zhì)量為太陽質(zhì)量的幾倍至幾十倍，一般認(rèn)為是質(zhì)量大的恒星死去后形成的；而超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量達(dá)到太陽的幾百倍、幾千倍甚至數(shù)十億倍，在銀河系的中心就存在一個(gè)這樣的黑洞。然而，釋放這一引力波信號(hào)的最終黑洞質(zhì)量為太陽質(zhì)量的142倍，處在恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間。
根據(jù)恒星演化物理，恒星的核中的光子和氣體產(chǎn)生向外的壓力，平衡了促使橫行物質(zhì)向內(nèi)的重力，從而保持穩(wěn)定狀態(tài)，例如太陽。而當(dāng)恒星內(nèi)部的重元素原子（例如鐵）發(fā)生聚變后，它將無法產(chǎn)生能夠支撐外層的壓力。而當(dāng)向外的壓力小于重力時(shí)，恒星會(huì)在自身重量的作用下坍塌，發(fā)生核坍縮超新星爆炸（core-collapse supernova），進(jìn)而形成黑洞。
這個(gè)過程可以解釋130倍太陽質(zhì)量的恒星如何形成最高為65倍太陽質(zhì)量的黑洞。但對(duì)于更重的恒星來說，對(duì)不穩(wěn)定性（pair instability）現(xiàn)象也是要考慮的因素。當(dāng)恒星核中的光子能量極高時(shí)，它們會(huì)形成電子和反電子對(duì)。這些正反電子對(duì)產(chǎn)生的壓力比光子小，使得恒星更不穩(wěn)定，更容易發(fā)生引力坍縮，進(jìn)而產(chǎn)生足以摧毀一切的劇烈爆炸。即便是質(zhì)量更大的恒星，比如200倍太陽質(zhì)量，最終也會(huì)坍縮成為至少為太陽質(zhì)量120倍的黑洞。因此，坍縮的恒星不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量在太陽質(zhì)量65倍至120倍之間的黑洞，這個(gè)范圍稱為對(duì)不穩(wěn)定性空缺（pair instability mass gap）。
但是現(xiàn)在，發(fā)出GW190521引力波信號(hào)的兩個(gè)黑洞里較重的一個(gè)質(zhì)量為太陽質(zhì)量的85倍，是目前為止探測(cè)到的第一個(gè)質(zhì)量落在這一區(qū)間的黑洞。
Virgo成員、來自法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）的研究員Nelson  Christensen表示：“我們觀察到了質(zhì)量落在這個(gè)區(qū)間的黑洞，這個(gè)事實(shí)足以使很多天文物理學(xué)家抓耳撓腮，嘗試去研究這些黑洞的起源。”
一種可能性是第二篇文章提到的分級(jí)合并（hierarchical merger）：在相互接近并發(fā)生合并之前，兩個(gè)原始黑洞分別由更小的兩個(gè)黑洞合并而成。
“這個(gè)天文物理事件引發(fā)的疑問比它回答的問題要多，”加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、LIGO成員Alan Weinstein說，“從探索和物理學(xué)的角度看，這是件令人激動(dòng)的事。”
強(qiáng)大的信號(hào)
此信號(hào)持續(xù)時(shí)間極短，還不足0.1秒。研究人員推測(cè)，GW190521引力波信號(hào)來自距地球5吉秒差距（gigaparsec）外的星系，反映了宇宙年齡相當(dāng)于目前一半時(shí)的狀態(tài)，經(jīng)歷了70億年的旅程才抵達(dá)地球。這也是目前探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的引力波源。
至于信號(hào)的來源，科學(xué)家根據(jù)先進(jìn)的計(jì)算建模工具，推測(cè)GW190521最有可能是具有特殊性質(zhì)的雙黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)。目前為止，幾乎所有確認(rèn)的引力波信號(hào)均來自于雙星合并，包括雙黑洞合并和雙中子星合并。
LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)還分別測(cè)量了這兩個(gè)黑洞的自轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)隨著黑洞旋轉(zhuǎn)著相互靠近，它們各自的自轉(zhuǎn)軸可能會(huì)偏離軌道的軸向。當(dāng)這兩個(gè)龐然大物不斷旋轉(zhuǎn)著相互靠近時(shí)，軸的錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致它們的軌道搖擺不定，或者說發(fā)生進(jìn)動(dòng)。
這次合并產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)量更大的黑洞，質(zhì)量約為太陽的142倍，可以以引力波的形式向宇宙釋放出相當(dāng)于太陽質(zhì)量8倍的巨大能量。Christensen表示：“這和我們通常探測(cè)到的啁啾聲一般的信號(hào)不一樣。”和LIGO于2015年第一次探測(cè)到的引力波對(duì)比，“這個(gè)信號(hào)如同一聲巨響，是LIGO和Virgo目前為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)大的信號(hào)源。”
“意料之外”
LIGO項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助，其裝置由一對(duì)長(zhǎng)4千米的干涉儀構(gòu)成。“LIGO再次給我們帶來了驚喜。不僅僅是因?yàn)樗綔y(cè)到了尺寸難以解釋的黑洞，更因?yàn)樗玫募夹g(shù)并不是特意為研究星系合并而設(shè)計(jì)的，” NSF引力物理項(xiàng)目主任Pedro Marronetti評(píng)價(jià)道，“這點(diǎn)意義重大，它向我們展示了儀器具有探測(cè)到來自人類未預(yù)見的天文物理事件信號(hào)的能力。LIGO告訴我們它可以觀測(cè)我們意想不到的現(xiàn)象。”
當(dāng)LIGO和Virgo  探測(cè)器探測(cè)穿過地球的引力波信號(hào)時(shí)，自動(dòng)搜索程序會(huì)梳理輸入數(shù)據(jù)，尋找研究人員感興趣的信號(hào)。搜索方法有兩種：一是用算法尋找可能由兩個(gè)致密星體構(gòu)成的系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模式，二是更普遍的“突發(fā)搜索”（burst searches），尋找一切異常的信號(hào)。
LIGO成員、麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)助理教授Salvatore Vitale 把尋找特定模式的算法比喻成“用梳子穿過數(shù)據(jù)，總會(huì)捕捉到一些特定形狀的東西”，而突發(fā)搜索是一種更加通用的方法。
在GW190521信號(hào)的發(fā)現(xiàn)中，正是第二種方法挑選出了更清晰一點(diǎn)的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)這種引力波來自除雙星合并以外其他來源的可能性很小。
“斷言我們發(fā)現(xiàn)新東西的門檻很高，”Weinstein表示，“我們一貫遵循奧卡姆剃刀原則：解釋越簡(jiǎn)單越好，就GW190521信號(hào)而言，最好的解釋便是雙黑洞（合并）。”
但是，如果這次的引力波信號(hào)來自于一個(gè)全新的天體呢？這是個(gè)令人著迷的前景，在發(fā)表的文章中，科學(xué)家們也簡(jiǎn)短地考慮了其他可能的引力波源。比如它可能是由銀河系的某顆正在坍塌的恒星發(fā)出的，或者來自宇宙早期產(chǎn)生的弦。不過這些假說對(duì)數(shù)據(jù)的吻合度并不如雙黑洞合并假說。
“自從LIGO投入使用以來，所有可信度高的觀測(cè)均為黑洞或中子星的碰撞。” Weinstein還表示，“在這個(gè)現(xiàn)象中，我們的分析表明它有可能不是一次這樣的碰撞。盡管這一現(xiàn)象與具有獨(dú)特質(zhì)量的雙黑洞合并事件相一致，其他解釋不被看好，它仍使我們?cè)鰪?qiáng)了自信。這是件令人興奮的事。因?yàn)槲覀兌计诖业叫率挛铮释l(fā)現(xiàn)意料之外的現(xiàn)象來對(duì)我們已有的知識(shí)提出挑戰(zhàn)。而這個(gè)天文發(fā)現(xiàn)就做到了這點(diǎn)。”