引力波再立功,理论中的黑洞被发现,科学家的疑惑解开了
1915年,伟大的爱因斯坦发表了广义相对论,震惊了世界。几年后,德国天体物理学家卡尔·史瓦西根据广义相对论,推测出了宇宙中一种神秘的天体——黑洞。时至今日,我们已经证实了黑洞的存在,并且还发现了多种不同的黑洞,比如恒星级黑洞、超大质量黑洞。其中,恒星级黑洞的质量一般不超过太阳的100倍,而超大质量黑洞则普遍在100万倍太阳质量以上。奇怪的是,科学家们多年以来一直没有找到介于二者之间的哪一种——中等质量黑洞。我们认为这种黑洞就应该是存在的,但是长期以来,尽管一颗颗恒星级黑洞和超大质量黑洞不断被发现,中等质量黑洞却总是不肯露面,这一直困惑着科学家们。最近,科学家们终于找到了迄今为止最有力的中等质量黑洞证据之一,在一次极为短暂的引力波中,科学家们发现了这个神秘的天体。LIGO和Virgo干涉仪是当今世界测量引力波最强大的设备之一,正是它们,在历史上首次证实了爱因斯坦所预言的引力波。2019年5月21日,它们再一次探测到了引力波,科学家们当时就发现,这一次的引力波不同寻常。它的不同之处,就在于持续的时间非常短。不过,不寻常的信号,意味着不寻常的事件,他们在仔细研究之后,果然获得了振奋人心的结果。德国马克斯·普朗克引力物理研究所和马里兰大学的理论物理学家Alessandra Buonanno介绍说:“从一开始,确定这个仅仅持续1/10秒的信号来源就给我们提出了巨大的挑战。不过,虽然持续时间短,但我们还是成功将它与黑洞的合并对应在了一起,正如爱因斯坦的广义相对论所预言的那样。我们发现自己在历史上首次发现了中等质量黑洞从母体中诞生,而它极有可能是此前两个黑洞合并而成的。”根据他们的观测,这次引力波来自于大约70亿光年之外。在这里,有两个质量分别是太阳66倍和85倍的黑洞发生了一次人类迄今为止观测到最强大的双黑洞合并事件。最终,两个黑洞完全合并在了一起,结合成为一个质量为太阳142倍的新黑洞。而这个新黑洞的质量,恰好就符合一颗中等质量黑洞的标准。(图片说明:科学家模拟双黑洞合并产生引力波的过程)正是这次引力波的发现,改变了现状。这一次被称为GW 190521的引力波事件,可以说是人类历史上第一次结论性的直接观测到的中等质量黑洞。在此之前,虽然也有一些关于发现中等质量黑洞的新闻传出,但全部都是根据一些天体的运动模式而间接推测的,因此始终没有完全得到学术界的认可。不仅仅是这颗中等质量黑洞令科学家兴奋,形成它的两个黑洞同样与众不同。根据以往的模型,质量超过太阳65倍的黑洞就已经非常特殊,它不太可能是由恒星死亡后形成的。因为如果一颗恒星能够形成这么大的黑洞,势必此前的质量极为惊人。这样的恒星不是不存在,而是会以不稳定对超新星的方式爆发,不留下任何痕迹,更不可能留下一个黑洞。因此,这就是理论上恒星级黑洞的质量临界值,其中下限值就是黑洞和中子星的临界值,上限就是最小的不稳定对超新星核心质量,也就是大约65倍太阳质量。而如今,科学家却发现了一颗质量达到太阳85倍的黑洞,而且引力波不太可能出错,那么它又是如何形成的呢?或许是理论有问题,但是科学家不倾向于这个假设。如果不是理论出了错误,那么可能性只有一个:这颗85倍太阳质量的黑洞,原本也没有这么大,而是逐渐成长到今天这样的质量的。这里又分为两种情况,要么是一颗黑洞不断吞噬周围的恒星等物质而成长到这么大,要么就是它也来自于两个黑洞的合并结果。谁知道呢,毕竟人类利用引力波探测宇宙事件的技术也刚刚发展没多久,也可能是探测的数据并不准确。不过,这就需要未来更先进的技术来证明了。目前来看,这颗黑洞是由两个黑洞合并形成的可能性还是比较高的。当然,最令人着迷的,自然还是中等质量黑洞的发现,它填补了超大质量黑洞和恒星级黑洞之间的空白,也有助于我们理解超大质量黑洞的形成。按照现有的理论和发现,没有任何天体能直接形成这么巨大的黑洞,我们只能认为它是由小黑洞成长起来的。而此前又从没有人发现过中等质量黑洞,我们也很难说服自己相信一个黑洞能从100倍太阳质量直接增长到100万倍。而中等质量黑洞的发现,意味着这个成长过程可能确实是存在的。西北大学的引力波天文学家Christopher Berry兴奋地说:“天体物理学上有一个巨大的谜题,那就是超大质量黑洞到底是如何形成的。它们就像是房间里一些质量达到太阳几百万倍的大象。它们是恒星坍缩后形成的黑洞成长而来的,还是通过一种人类未知的方式出现的呢?多年以来,我们一直致力于寻找中等质量黑洞,搭建一条联系恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的桥梁,填补二者之间的空隙。如今,我们终于找到了有力的证据,证明它们确实存在。”同时,西北大学的天文学家Chase Kimball也告诉我们:“说实在的,我们还处于引力波天文学的黎明时期,没有哪个时代比今天更适合做一名天体物理学家。”他说的没错,人类对于黑洞的了解,仍然非常有限。这一次发现了中等质量黑洞,绝不仅仅是一个问题的终结,它还带来了更多新的问题。当我们懂的东西越多,反而发现问题也越多。科学没有极限,当人类发现更高深问题的时候,我们不需要感到失望,因为那是我们进步的证明。
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