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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”

發(fā)表于 2025-12-09 18:59:03 來源：桑間濮上網(wǎng)

終于發(fā)現(xiàn)介于較小黑洞和超大黑洞之間的終于中等質(zhì)量罕見“中等質(zhì)量黑洞”

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報道）據(jù)cnBeta：外媒報道，盡管科學家們最近才能捕捉到黑洞的發(fā)現(xiàn)圖像，但他們對黑洞卻了解得不少。介于較小間這些密度極高的黑洞和超罕見黑洞天體會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，至少天文學家是終于中等質(zhì)量這樣認為的。另外目前已知的發(fā)現(xiàn)是黑洞有兩種類型：標準版（較小版）的質(zhì)量被認為是太陽的5到100倍；另一個版本是超大質(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)躲避天文學家很長時間了，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地方，事實證明，發(fā)現(xiàn)找到這樣一個黑洞是介于較小間一個難以置信的挑戰(zhàn)?，F(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黑洞合并的同時相信他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個中等質(zhì)量黑洞的誕生。
通過利用地球上三個天文臺的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個質(zhì)量分別為地球85倍和66倍的黑洞。相對而言，這兩個黑洞都較小，但在它們合并后則形成了一個介于標準質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞之間的黑洞。
這些觀測都是通過引力波進行的，而引力波需要耗費70億年才到達地球。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)量黑洞之間是相當空的，研究人員想找出其中的原因。有一種理論認為，一旦黑洞達到一定的大小，它們就會開始以更快的速度吞噬更多的物質(zhì)，進而很快就會變成超大質(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。
相關(guān)報道：“不可能質(zhì)量”黑洞被發(fā)現(xiàn)，探測到迄今最強引力波源
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)科研圈：引力波探測器LIGO/Virgo發(fā)現(xiàn)了一個142倍太陽質(zhì)量的黑洞，這是天文學家首次觀測到中等質(zhì)量黑洞，也是目前借助引力波觀測到的最大的黑洞。
這個黑洞由兩個質(zhì)量分別為85倍和65倍太陽質(zhì)量的黑洞合并而成，這也對目前的黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)，因為理論預測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《物理評論快報》（Physical Review Letters）和《天體物理學期刊通訊》（Astrophysical Journal Letters）發(fā)表，這一發(fā)現(xiàn)將幫助我們更好地認識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)量黑洞也是第一個被清晰探測到的中等質(zhì)量黑洞（即質(zhì)量為太陽質(zhì)量的100倍至1000倍的黑洞）。這個黑洞由兩個質(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。
這個引力波信號于2019年5月21日分別被位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）和位于意大利的Virgo干涉儀探測到，因此研究人員將其命名為GW190521。
今日，LIGO和Virgo科學家團隊在國際期刊上發(fā)表兩篇論文，報告對該信號對研究成果。一篇發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters），詳細敘述了引力波信號的發(fā)現(xiàn)過程；另一篇發(fā)表于《天體物理學期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上，討論了信號的物理性質(zhì)和天文物理學意義。
令人疑惑的質(zhì)量空缺
此前，天體物理學家觀測到的所有黑洞可以分為兩類：恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級黑洞質(zhì)量為太陽質(zhì)量的幾倍至幾十倍，一般認為是質(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這樣的黑洞。然而，釋放這一引力波信號的最終黑洞質(zhì)量為太陽質(zhì)量的142倍，處在恒星級黑洞和超大質(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。而當向外的壓力小于重力時，恒星會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），進而形成黑洞。
這個過程可以解釋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。但對于更重的恒星來說，對不穩(wěn)定性（pair instability）現(xiàn)象也是要考慮的因素。當恒星核中的光子能量極高時，它們會形成電子和反電子對。這些正反電子對產(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，坍縮的恒星不會產(chǎn)生質(zhì)量在太陽質(zhì)量65倍至120倍之間的黑洞，這個范圍稱為對不穩(wěn)定性空缺（pair instability mass gap）。
但是現(xiàn)在，發(fā)出GW190521引力波信號的兩個黑洞里較重的一個質(zhì)量為太陽質(zhì)量的85倍，是目前為止探測到的第一個質(zhì)量落在這一區(qū)間的黑洞。
Virgo成員、來自法國國家科學研究中心（CNRS）的研究員Nelson Christensen表示：“我們觀察到了質(zhì)量落在這個區(qū)間的黑洞，這個事實足以使很多天文物理學家抓耳撓腮，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合并（hierarchical merger）：在相互接近并發(fā)生合并之前，兩個原始黑洞分別由更小的兩個黑洞合并而成。
“這個天文物理事件引發(fā)的疑問比它回答的問題要多，”加州理工學院物理學教授、LIGO成員Alan Weinstein說，“從探索和物理學的角度看，這是件令人激動的事?！?br>強大的信號
此信號持續(xù)時間極短，還不足0.1秒。研究人員推測，GW190521引力波信號來自距地球5吉秒差距（gigaparsec）外的星系，反映了宇宙年齡相當于目前一半時的狀態(tài)，經(jīng)歷了70億年的旅程才抵達地球。這也是目前探測到的最遙遠的引力波源。
至于信號的來源，科學家根據(jù)先進的計算建模工具，推測GW190521最有可能是具有特殊性質(zhì)的雙黑洞合并時產(chǎn)生的信號。目前為止，幾乎所有確認的引力波信號均來自于雙星合并，包括雙黑洞合并和雙中子星合并。
LIGO-Virgo團隊還分別測量了這兩個黑洞的自轉(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)軸可能會偏離軌道的軸向。當這兩個龐然大物不斷旋轉(zhuǎn)著相互靠近時，軸的錯位會導致它們的軌道搖擺不定，或者說發(fā)生進動。
這次合并產(chǎn)生了一個質(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于太陽質(zhì)量8倍的巨大能量。Christensen表示：“這和我們通常探測到的啁啾聲一般的信號不一樣。”和LIGO于2015年第一次探測到的引力波對比，“這個信號如同一聲巨響，是LIGO和Virgo目前為止發(fā)現(xiàn)的最強大的信號源?！?br>“意料之外”
LIGO項目由美國國家科學基金會（NSF）資助，其裝置由一對長4千米的干涉儀構(gòu)成?！癓IGO再次給我們帶來了驚喜。不僅僅是因為它探測到了尺寸難以解釋的黑洞，更因為它用的技術(shù)并不是特意為研究星系合并而設(shè)計的，” NSF引力物理項目主任Pedro Marronetti評價道，“這點意義重大，它向我們展示了儀器具有探測到來自人類未預見的天文物理事件信號的能力。LIGO告訴我們它可以觀測我們意想不到的現(xiàn)象?！?br>當LIGO和Virgo 探測器探測穿過地球的引力波信號時，自動搜索程序會梳理輸入數(shù)據(jù)，尋找研究人員感興趣的信號。搜索方法有兩種：一是用算法尋找可能由兩個致密星體構(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。
LIGO成員、麻省理工學院（MIT）物理學助理教授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信號的發(fā)現(xiàn)中，正是第二種方法挑選出了更清晰一點的信號，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：解釋越簡單越好，就GW190521信號而言，最好的解釋便是雙黑洞（合并）。”
但是，如果這次的引力波信號來自于一個全新的天體呢？這是個令人著迷的前景，在發(fā)表的文章中，科學家們也簡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均為黑洞或中子星的碰撞?！?Weinstein還表示，“在這個現(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，它仍使我們增強了自信。這是件令人興奮的事。因為我們都期待著找到新事物，渴望發(fā)現(xiàn)意料之外的現(xiàn)象來對我們已有的知識提出挑戰(zhàn)。而這個天文發(fā)現(xiàn)就做到了這點?！?/table>