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质量|LIGO测到最强信号！人类首次发现中等质量黑洞

黑洞质量

_本文原题：LIGO测到最强信号！人类首次发现中等质量黑洞，带来谜团
如果说早在2015年，激光引力波干涉天文台（LIGO）首次听到的双黑洞并合事件如同一声“啁啾”鸟鸣，那么2019年5月21日，他们和意大利处女座引力波天文台（Virgo）联合探测到的引力波信号无异于一记“轰”鸣 。
是多重的天体才能闹出这么大的动静？根据9月3日发表在《物理评论快报》（Physical ReviewLetters）和《天体物理学期刊通讯》（Astrophysical Journal Letters）上的两篇论文，这是两个分别约为 85 倍和65 倍太阳质量的黑洞合并而成了一个142倍太阳质量的黑洞，中间损失的等同8倍太阳质量的能量以引力波的形式在宇宙中扩散出来 。
【质量|LIGO测到最强信号！人类首次发现中等质量黑洞】这个只持续了不到0.1秒的信号创造了多个纪录，却也带来了巨大的谜团 。
这是LIGO探测到的质量最大的黑洞并合事件；
这是LIGO探测到的最远的引力波信号，远在50亿秒差距（1秒差距约等于3.26光年）之外，光传输就要花上70亿年，这意味着事件发生时，宇宙的年龄还只有现在的一半；
这是人类首次发现质量介于100到100000倍太阳质量之间的黑洞，即所谓的中等质量黑洞；
最后，根据现有的黑洞演化理论，85倍太阳质量的黑洞“不可能”出现 。
中等质量黑洞
引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论，被形象地比喻为“时空的涟漪” 。时间和空间会在质量面前弯曲，时空在伸展和压缩的过程中，会产生振动传播开来，这些振动就是引力波 。绝大多数信号传播到地球上就变得弱不可闻，除非是黑洞并合、中子星并合这样的宇宙重量级“消消乐” 。
LIGO首次探测到的引力波信号，就来自两个分别为36倍和29倍太阳质量的黑洞，并合为62倍太阳质量黑洞
一颗恒星逃不出三种宿命：白矮星、中子星和黑洞 。
白矮星有点像“熄灭”了的灰烬，低光度、高密度、高温度，我们的太阳数十亿年后结局大概如此 。
但对更高质量的恒星而言，它们在寿命尽头可能会发生超新星爆炸，爆炸后如果还有残骸剩余，要么是极端致密的中子星，要么就是引力大到光线也无法逃逸的黑洞 。
这一类由恒星演化而成的黑洞，我们称为恒星级黑洞，也是天体物理中最小的一类黑洞，质量通常在3倍至100倍太阳之间 。最大的一类则是星系中心的超大质量黑洞 。例如，银河系中心就有一个约为430万倍太阳质量的超大质量黑洞人马座a* 。介于两者之间的称为中等质量黑洞，此前没有过直接的电磁波观测证据 。
中等质量黑洞的存在有可能帮我们解答一个悬疑已久的宇宙学问题：超大质量黑洞究竟是怎么来的？一种解释是，这些庞然大物是由中等质量黑洞反复合体形成的 。
质量断档
有趣的是，比起142这个数字，科学家们可能会更惊诧于两颗“原生”黑洞里有一颗竟然达到了85倍太阳质量 。
原来，恒星之所以能保持稳定，是星核中的光子和气体产生向外的压力，平衡了向内的引力 。等到恒星把铁这一类重元素也聚变后，产生的向外压力就不足以对抗引力了 。恒星会在自身重量的作用下坍塌，发生核坍缩超新星爆炸，进而形成黑洞 。
然而，对于更重一些的恒星来说，现有的物理学理论还要考虑对不稳定性（pairinstability）现象 。这是说，恒星核中的光子在能量极高时会形成一对电子和反电子 。这些正反电子对产生的对外压力比光子小，使得恒星更不稳定，容易发生非常剧烈的爆炸，损失掉大量能量 。根据这样的理论预计，恒星是不可能坍缩成65倍至120倍太阳质量的黑洞，这个质量范围称为对不稳定性断档 。
那85倍太阳质量黑洞到底是怎么来的？也许，它也是由两个质量更小的前身黑洞并合形成的？
LIGO 成员、加州理工学院教授阿兰·魏施坦（Alan Weinstein）说道：“这个天文物理事件提出的问题比它回答的问题还要多 。”
Virgo成员、法国国家科学研究中心（CNRS）研究员NelsonChristensen则表示，质量落在这个区间的黑洞足以让很多天体物理学家抓耳挠腮 。
甚至，这个引力波信号根本就不来自于黑洞？研究人员也在论文里提及了其他“脑洞”，比如这其实是我们银河系内一颗正在坍缩的恒星，或是宇宙早期的宇宙弦，但信号与相应理论的吻合程度都不高 。
因此，科学家们最后选择采用奥卡姆剃刀原则：最简单的双黑洞并合解释，目前就是最好的 。


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