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pi 70億光年外傳來超級大爆炸，8顆太陽質(zhì)量瞬間消失，細節(jié)令科學家困惑




pi 70億光年外傳來超級大爆炸，8顆太陽質(zhì)量瞬間消失，細節(jié)令科學家困惑
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近日，LIGO-Virgo引力波探測國際合作組宣布發(fā)現(xiàn)了至今最強的黑洞碰撞，由85倍太陽質(zhì)量和66倍太陽質(zhì)量的兩個黑洞環(huán)繞并合成為了一個142倍太陽質(zhì)量的黑洞，其中質(zhì)量差約8倍的太陽質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量巨大的引力波在時空中傳播。論文一經(jīng)上線，迅速引起業(yè)界高度關注和熱議，因其涉及所謂“不可能質(zhì)量”黑洞的問題。但這一黑洞質(zhì)量“禁區(qū)”真的存在嗎？這又一定是雙黑洞并合嗎？中等質(zhì)量黑洞都存在于哪里？


pi 70億光年外傳來超級大爆炸，8顆太陽質(zhì)量瞬間消失，細節(jié)令科學家困惑
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劃重點撰文 | 劉辛味（《返樸》高級采訪人員）、樓宇慶（清華大學物理系教授）
2020年9月2日，LIGO-Virgo引力波天文臺合作團隊正式發(fā)表了一年多來的研究分析結(jié)果——他們發(fā)現(xiàn)了兩個黑洞環(huán)繞并合為142倍太陽質(zhì)量黑洞的引力波事件（GW190521，即2019年5月21日發(fā)現(xiàn)的引力波事件，以下其他事件命名模式同此類推），這兩個黑洞的質(zhì)量分別為85倍太陽質(zhì)量和66倍太陽質(zhì)量。這是目前該引力波天文臺探測到的最大質(zhì)量黑洞并合事件，被認為首次發(fā)現(xiàn)了中等質(zhì)量黑洞的實體存在。更令一些科學家興奮激動又同時不解的是，新的發(fā)現(xiàn)處于所謂黑洞質(zhì)量范圍的“缺口”（或稱“斷檔”、“禁區(qū)”），對天體物理過程中這類黑洞的形成理論模型和物理圖像再次發(fā)出挑戰(zhàn)。
GW190521雙黑洞環(huán)繞并合的數(shù)值模擬演示環(huán)繞和并合，釋放引力波。丨來源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration【相關視頻請前往“返樸”公眾號查看】
黑洞的形成與種類
自2016年首次公布探測到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波事件（GW150914），以及2019年4月公布的M87星系中心的“超大質(zhì)量黑洞照片”等一系列新發(fā)現(xiàn)以來，黑洞與引力波的研究不僅成為天文領域的熱點，也引燃了公眾科普的狂歡。不過，隨著被發(fā)表的引力波事件信號越來越多，雙黑洞并合或者更為少見的雙中子星并合等事件似已不足為奇。事實上，LIGO與Virgo的國際合作團隊至今已經(jīng)正式發(fā)表了探測到的15次引力波事件，僅僅發(fā)現(xiàn)新的雙黑洞并合事件也就不算非常新鮮的事了，而本次公布的142倍太陽質(zhì)量的黑洞則讓一些天文學家感到不可思議，再次引發(fā)科學界和大眾媒體熱議，這又是為何？
核心問題在于142倍太陽質(zhì)量的黑洞，以及并合前形成它的85倍太陽質(zhì)量的黑洞，并不在目前某些所謂主流的黑洞形成理論之中。也就是說，這個質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞是如何從宇宙時空中冒出來的，似乎沒有像樣的天體物理故事。
黑洞相關理論已經(jīng)提出超過百年。1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論后不到一年，德國天體物理學家史瓦西（Karl Schwarzschild）就從廣義相對論中推導出了今天稱之為球?qū)ΨQ黑洞的數(shù)學解，一個黑洞的半徑為2GM/c2（G是萬有引力常數(shù)，M是黑洞質(zhì)量，c是真空中的光速）。有必要補充一點，荷蘭物理學家Johannes Droste在史瓦西幾個月后獨立地得到了黑洞球?qū)ΨQ解，其數(shù)學推導比史瓦西的更簡潔。他是著名物理學家洛倫茲（Hendrik A. Lorentz）的學生。直到1963年，29歲的新西蘭數(shù)學物理學家克爾（Roy Patrick Kerr）進一步從廣義相對論中推導出軸對稱的旋轉(zhuǎn)黑洞解。幾十年來，天文學家基于不同的模型，采用不同的觀測方法在宇宙時空中由遠及近推測出眾多大大小小的黑洞候選體，為它們分門別類，并探究它們可能的物理起源和形成途徑。
在恒星演化模型中，黑洞可以由一顆大質(zhì)量恒星死亡后引力塌縮而形成。當恒星自身的核聚變?nèi)剂现饾u耗盡，熱核聚變反應產(chǎn)生向外的輻射壓力和氣體壓力一起不足以抵抗永遠向心的引力，該大質(zhì)量恒星就會失穩(wěn)向內(nèi)迅猛引力塌縮，引發(fā)能量異乎尋常的超新星爆炸，最終在其中心只留下一個連光都逃逸不出的黑洞。
恒星演化的結(jié)果要考慮其初始質(zhì)量，它們中心最終并非一定成為黑洞，大部分質(zhì)量偏小的恒星的結(jié)局其實是白矮星或中子星。理論計算表明，最終要形成黑洞的大質(zhì)量恒星的核心至少要在3到4倍太陽質(zhì)量以上。這是因為目前理論估計的物質(zhì)極其致密的中子星質(zhì)量上限約為3倍太陽質(zhì)量，質(zhì)量再大則星體失穩(wěn)，可以塌縮，也可以爆炸。
天文學家將已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的黑洞按它們的質(zhì)量一般分為恒星級質(zhì)量黑洞（Stellar mass black holes，簡稱“sMBHs”）、中等質(zhì)量黑洞（Intermediate mass black holes，簡稱“IMBHs”）和超大質(zhì)量黑洞（Supermassive black holes，簡稱“SMBHs”）三類（質(zhì)量范圍詳見下圖）。理論上還預言存在宇宙早期誕生的，尺度和質(zhì)量極小的原初黑洞，以及近些年來提出的絕超質(zhì)量黑洞（Hypermassive black holes，簡稱“HMBHs”），它們的質(zhì)量范圍涵蓋10^ 10-10^ 12倍太陽質(zhì)量甚至更大，可以在宇宙包括早期宇宙中的巨大物質(zhì)庫中動力塌縮形成，并且已有重要觀測證據(jù)的支持。

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