发现第三种类型的黑洞了？
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Zwicky，头图来自：NASA
黑洞，是宇宙中最神秘的天体。天体物理学家Avi Leob曾形象的描述到：“黑洞是终极的监狱：一旦进入，就永远无法出去。”
正如夜空中的繁星有着不同大小、颜色和温度，黑洞也可以根据它们的大小和质量分为四类：
过去，天文学家已经观测到了恒星级黑洞和超大质量黑洞，但中等质量黑洞和原初黑洞仍然停留在理论阶段。但在一项最新的研究中，科学家终于发现了追寻已久的中等质量黑洞。
一
2015年9月14日，注定是一个被载入史册的重要日子。那天，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了由双黑洞并合产生的引力波！这一发现不仅验证了爱因斯坦百年前的预言，也打开了探索宇宙的全新窗口。
引力波天文台未来的探索方向。
自那之后，天文学家确认已捕捉到的黑洞并合事件已达10次之多，这些不同的事件在清晰地向我们展示了，不同的黑洞可以拥有各不相同的自旋，并且它们的质量范围也跨度巨大：
素材来源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）
现在，LIGO合作组和室女座引力波探测器（VIRGO）合作组探测到了迄今为止最大的黑洞并合：一个质量为66倍太阳质量的黑洞，与一个质量为85倍太阳质量的黑洞并合形成了一个质量为142倍太阳质量的黑洞（并合前的双黑洞质量之和不等于最终的黑洞质量，这是因为并合过程会释放巨大的能量，并以引力波的形式扩散到宇宙中去）。
素材来源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）
这次事件有两个特殊之处能使之成为黑洞探测史上浓墨重彩的一笔。首先，按照黑洞的常规形成机制来看，并合前较大的那颗黑洞（85倍太阳质量）应该无法形成才对；其次，一直以来，质量范围在100倍太阳质量到数万倍太阳质量之间的中等质量黑洞只存在于理论中，而这次探测到的142倍太阳质量的黑洞，是首次直接观测到的中等质量黑洞。
二
根据爱因斯坦的广义相对论的核心方程的预测，黑洞可以有任何质量。在宇宙中，大质量恒星的坍缩是形成黑洞的一个关键途径，但这种过程也会对黑洞的质量产生一些限制。
当一个质量非常大的恒星耗尽燃料时，其核心便会开始在引力的作用下坍缩，形成一个恒星级的黑洞。传统的理论认为，恒星坍缩时是不会产生质量在65到135个太阳质量之间的黑洞的，这个质量“禁区”被称为对不稳定性质量间隙（pair instability mass gap）。
对于一颗炽热的恒星来说，其核心产生的伽马射线会对恒星外层施加“光子压”，从而抵抗向内的引力，使恒星处于平衡状态。然而，当恒星核心的质量大于65个太阳质量时，高能的伽马射线会有效的转换为电子-正电子对，这种现象就被称为对不稳定性。这些粒子对产生的压力要弱于光子，从而使引力占据上风。如此一来，恒星的外层就会向内坍缩，核燃烧开始以一种失控的方式加速。其结果就是恒星在爆炸后没有留下任何黑洞遗迹。所以理论上，天文学家预计并不会在65到135个太阳质量范围之间发现任何黑洞。
三
然而，在2019年5月21日，LIGO和VIRGO探测到的引力波事件却带来了两项突破性的发现：不仅在对不稳定性间隙发现了黑洞，还证明了中等质量黑洞的存在。这两个发现对理解黑洞的形成有着重要的意义。
有两种可能的情况可以解释导致这次探测到的黑洞双星。
第一种情况是，双星系统中的黑洞是由两颗恒星坍缩而产生的，这就意味着质量为85倍太阳质量的黑洞，是直接由一颗处于“禁区”中的恒星形成的。如果是这样的话，这一结果可以通过修正已有的恒星核心核反应模型来加以解释。近来有研究表明，这个“禁区”的下限与碳-12向氧-16转化的这种核反应速率息息相关。当速率小于现有模型所假设的速率时，这一质量区间就会向更大的质量偏移，从而可以覆盖这次探测到的测量结果。
第二种情况是，质量最大的黑洞是一个“黑洞二代”，它由两个较小的黑洞并合而成。因此，黑洞双星不是由恒星双星产生的，而是由能将两个黑洞聚集在一起的动态引力相互作用而产生的。
这二者可以通过并合黑洞的自旋来加以区分：在双星情况下，它们应该会大致对齐；而在动态相互作用的情况下，它们的方向是随机的。从目前的分析结果来看，GW190521的并合黑洞的自旋很可能不是对齐的，因此这个结果稍微更偏向于第二种情况。但决定性证据尚未出现。
四
未来，LIGO和VIRGO还将继续探测到越来越多的黑洞并合事件，其中也或将包含更多这类较重的并合事件。能够获取更多有关于中等质量黑洞的数据对黑洞研究意义重大。特别是，天文学家或许可以借此更好地理解超大质量黑洞的形成与演化。尽管天文学家已经拍摄到星系M87中央的超大质量黑洞，也对银河系中心的超大质量黑洞进行了详尽的研究，但超大质量黑洞的形成机制依旧是个谜题。然而，有理论认为，超大质量黑洞或许是由中等质量黑洞组成的。随着越来越多的黑洞被发现，天文学家也越来越接近一些谜题的真相。
参考来源：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.101102
https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.111
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200902本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Zwicky
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