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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(xué)家困惑( 六 )


GW190521事件雙黑洞并合的藝術(shù)想象圖。箭頭代表黑洞的自旋，網(wǎng)格表明旋轉(zhuǎn)帶來的時空度規(guī)拖拽效應(yīng)和向外傳播的引力波浪。前文提到的若干正在運行的脈沖星計時陣列(PTA)的觀測項目，便可借此圖夸張地想象：射電脈沖星在引力波掃過時會晃來晃去。天文觀測者正是想用經(jīng)過認真選擇的多個毫秒脈沖星形成一個巨大的空間陣列，從脈沖信號數(shù)據(jù)的綜合分析中探測出微弱的引力波漣漪背景。丨圖源：Raúl Rubio/Virgo Valencia Group/The Virgo Collaboration由于信號很短，研究人員也考慮了其他模型的可能性。在天體物理學(xué)研究中，一次事件符合多種模型是常見的情況（即理論模型簡并）。論文中一口氣給出了5個不同的可能替代方案，其中包括非零軌道離心率和正面碰撞，并不像以往兩個黑洞成圓軌道旋轉(zhuǎn)著并合；強引力透鏡效應(yīng)；原初黑洞并合；宇宙弦信號；核坍縮超新星爆發(fā)。可惜這些模型的擬合結(jié)果均不如雙黑洞并合模型來得好。美國加州理工學(xué)院LIGO項目成員Alan Weinstein教授說：“斷言我們發(fā)現(xiàn)了新東西的門檻非常高，我們通常使用奧卡姆剃刀原則，簡單的解決方案就是最好的解決方案，在這個例子中就是雙黑洞并合。”
就在LIGO-Virgo團隊剛完成論文時，茲威基瞬變源設(shè)施（Zwicky Transient Facility，簡稱“ZTF”）項目組宣稱他們發(fā)現(xiàn)了該信號候選的電磁對應(yīng)體——活動星系核的耀斑。活動星系核是星系的中心核有劇烈活動的現(xiàn)象，通常推測這里存在超大質(zhì)量黑洞，黑洞與其吸積盤相互作用吞噬物質(zhì)時就有可能出現(xiàn)猛烈的電磁爆發(fā)。他們的團隊假設(shè)雙黑洞并合后產(chǎn)生的引力波將剩余黑洞和周圍物質(zhì)反沖推向了吸積盤，而觀測到的電磁信號似符合這一模型。目前還不能確定ZTF探測到的電磁爆發(fā)與黑洞并合的關(guān)聯(lián)（ZTF搜索了鄰近區(qū)域60天內(nèi)的信號，第34天發(fā)現(xiàn)了耀斑），但這一想象也足以讓天文學(xué)家興奮了。
如果是雙黑洞并合，142倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞就很容易解釋。可是，初始的兩個黑洞一個正落在黑洞質(zhì)量缺口之內(nèi)（85倍太陽質(zhì)量黑洞），一個處于黑洞質(zhì)量缺口的下邊緣（66倍太陽質(zhì)量黑洞），那么它們又是怎么形成的呢？
研究人員給出了三種模型：（一）兩對雙恒星級質(zhì)量黑洞并合成兩個二代黑洞，考慮到這兩個二代黑洞要在致密的環(huán)境內(nèi)繼續(xù)并合，其實這一模型圖像也并不簡單；（二）年輕星團中的恒星并合，一顆已演化出氦核的恒星與主序伴星碰撞并合成為一個巨星，在進入PI階段前就坍縮成黑洞；（三）活動星系核吸積盤內(nèi)黑洞并合，黑洞吸積盤里的物質(zhì)有助于小型黑洞的成長并合。至于最終哪種方案勝出，還有賴于未來更多中等質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)。



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(xué)家困惑
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“宇宙版2048游戲”。此圖以問號“？”的形式建議兩對相對更小的黑洞分別并合先形成66倍太陽質(zhì)量和85倍太陽質(zhì)量的黑洞，目的是直接回避大質(zhì)量恒星演化中由PI造成所謂的黑洞質(zhì)量禁區(qū)。然后66倍和85倍太陽質(zhì)量的雙黑洞并合形成142倍太陽質(zhì)量的黑洞，其中約8倍太陽質(zhì)量轉(zhuǎn)化為強大的引力波能量向宇宙時空中輻射，最終被遙遠地球上的LIGO-Virgo干涉儀探測到。丨圖源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)中等質(zhì)量黑洞在哪里？
長期以來，天文學(xué)家一直沒找到中等質(zhì)量黑洞存在的決定性證據(jù)，但在三類天體系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了它們的蛛絲馬跡。
第一類是球狀星團（Globular cluster）的中心。這類早在數(shù)百年前就被人類注意到的呈球狀的天體系統(tǒng)，由數(shù)萬到甚至數(shù)百萬顆恒星因引力束縛而組成。天文學(xué)家推測它們可能是死亡星系殘留的核心，在強大的引力作用下形成了相當(dāng)完美的球狀結(jié)構(gòu)。人們在銀河系內(nèi)就已發(fā)現(xiàn)了150余個球狀星團。基于經(jīng)驗的外推，天文學(xué)家一直懷疑其中央非常可能存在幾千或幾萬倍太陽質(zhì)量的黑洞。
有意思的是，球狀星團作為候選者在理論上的原因是對超大質(zhì)量黑洞延續(xù)性的探索。十幾年前，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞與其母盤狀星系核球區(qū)的，或其母橢圓星系的恒星平
質(zhì)量），明顯呈對數(shù)線性關(guān)系。那自然就會想到繼續(xù)向黑洞質(zhì)量下限探索，到了10^ 5倍太陽質(zhì)量的黑洞或再往下，所對應(yīng)的恒星系統(tǒng)就是球狀星團了。天文學(xué)家對球狀星團的觀測研究已經(jīng)超過50年，這里面就發(fā)現(xiàn)了多個有潛質(zhì)的星團。但是，這些球狀星團中心區(qū)所發(fā)出的X射線、運動速度等實測結(jié)果與動力學(xué)模型比較表明，黑洞模型并非唯一解釋。到目前為止，還未出現(xiàn)確鑿的證據(jù)表明球狀星團中有中等質(zhì)量黑洞，但也不能排除。如果拿目前若

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