【關(guān)注】一個不到0.1秒的信號 或能幫人類厘清黑洞成長歷史

“科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了不可能存在的黑洞!”這幾天，相關(guān)話題在網(wǎng)上引起了廣泛熱議。

9月3日，據(jù)國外媒體報道，美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)與位于意大利的室女座引力波天文臺(Virgo)攜手探測到了一個約為142倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞，這也是科學(xué)家首次探測到中等質(zhì)量黑洞。據(jù)悉，該黑洞由兩個質(zhì)量約為85倍太陽質(zhì)量和65倍太陽質(zhì)量的黑洞并合而來，其損失的等同8倍太陽質(zhì)量的能量以引力波的形式在宇宙中擴散開來，引領(lǐng)著我們發(fā)現(xiàn)了這一“不可能存在的黑洞”。

“近幾年，科學(xué)家已不止一次通過引力波探測發(fā)現(xiàn)雙黑洞系統(tǒng)。此次中等質(zhì)量黑洞被發(fā)現(xiàn)，有助于天文學(xué)家破譯超大質(zhì)量黑洞成因，使黑洞研究更具系統(tǒng)性。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授茍利軍在接受科技日報記者采訪時表示。

曾有多次發(fā)現(xiàn)均未得到進一步證實

1916年，德國科學(xué)家卡爾·史瓦西求得廣義相對論愛因斯坦場方程的一個精確解，為黑洞的存在奠定了堅實的理論基礎(chǔ)——任何物體只要被壓縮到某個臨界半徑，就會坍縮成奇點，極端扭曲周圍時空，形成強大引力場，在一定范圍內(nèi)，連光也無法逃脫。

時至今日，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不少黑洞，根據(jù)質(zhì)量的不同可將其分為三大類：質(zhì)量為數(shù)倍到100倍太陽質(zhì)量之間的恒星級黑洞，質(zhì)量為一百萬至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，以及介于二者之間的中等質(zhì)量黑洞。

學(xué)界的一種看法是，超大質(zhì)量黑洞由質(zhì)量更小的黑洞逐漸并合演化而成。若這個演化過程是個連續(xù)的過程，那么理論上中等質(zhì)量黑洞就應(yīng)該是其中的中間狀態(tài)。

“2012年，曾有天文學(xué)家利用位于澳大利亞的射電望遠鏡觀測到了超級熾熱氣體的爆發(fā)，認為該爆發(fā)由一顆中等質(zhì)量黑洞發(fā)出;2015年，有天文學(xué)家宣稱對NGC2276星系進行觀測時發(fā)現(xiàn)了一個中等質(zhì)量黑洞……很遺憾，不少這類發(fā)現(xiàn)均未得到進一步證實。”茍利軍介紹道，黑洞的探測需要等待合適的時機，比如要在它產(chǎn)生比較明亮的電磁輻射或有較大噴流的時候才能探測到。

“目前人類探測到的黑洞只是宇宙中眾多黑洞的冰山一角。理論上，僅在銀河系中就有上億個恒星級黑洞，但直到現(xiàn)在真正得到確認的只有數(shù)十個。”茍利軍說。

茍利軍解釋說，黑洞自身不產(chǎn)生電磁波，因而無法直接被探測到。目前探測黑洞只能通過黑洞周圍的一些輻射現(xiàn)象，比如距離黑洞較遠的氣體在靠近黑洞的過程中與黑洞相互摩擦，會產(chǎn)生較強的輻射，我們就可以利用電磁探測方式來間接地探測到黑洞。

破譯70多億年前的引力波信號

引力波又被稱為時空的漣漪，是因為時空受引力擾動后，這種擾動會像水波一樣向外以光速傳播。引力波帶來的效果之一就是使兩點間的距離有規(guī)律地振蕩。

“通過精確測量地球上兩點間距離的變化，LIGO就能探測到引力波。”茍利軍解釋道，因為雙黑洞系統(tǒng)通常不會產(chǎn)生引力波之外的其他任何信號，所以引力波是目前探測雙黑洞系統(tǒng)的唯一利器。

宇宙中的引力波分別可以通過地基的引力波天文臺、空間的引力波激光干涉天線、脈沖星計時陣和宇宙微波背景輻射的極化等探測到。精準探測引力波可幫助揭示黑洞、中子星等引力波源的形成演化。

“本次發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞的LIGO與VIRGO均是地基激光干涉儀引力波探測器。”茍利軍說，激光從探測器中間發(fā)出后會一分為二，沿著兩條幾公里長的等長干涉臂，被反射多次后又會重新聚到一起相互干涉，干涉后信號的強弱可以被光子探測器觀測到。當來自宇宙深處某一波源的引力波信號跨過時空抵達地球，經(jīng)過干涉儀時兩條干涉臂的臂長會發(fā)生微弱但并不相同的變化，導(dǎo)致干涉后的信號強弱會隨時間的變化而變化。通過測量這個變化就能夠捕捉到引力波信號的波形和大致的方向。

“中等質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)，很大程度上取決于對引力波的追蹤破譯。引力波輻射分為高頻、中頻、低頻、甚低頻和極低頻5個不同的波段，波長范圍可從數(shù)千公里直至宇宙尺度。研究人員需要根據(jù)探測結(jié)果中破譯的少量信息來建立假設(shè)。”茍利軍說。

在此次研究中，研究人員在2019年5月21日探測到引力波信號GW190521，信號持續(xù)時間不到0.1秒。他們通過擬合引力波形，推算出它是70多億年前兩個黑洞并合產(chǎn)生。

茍利軍表示，相信在未來，地基引力波天文臺會探測到成百上千的雙黑洞、雙中子星等并合引力波事件，幫助我們對這些天體和系統(tǒng)形成演化有更深刻的理解。

可能是由更小黑洞并合而來

長期以來，中等質(zhì)量黑洞被科學(xué)界視作超大質(zhì)量黑洞的“種子”，其存在一直缺乏天文觀測的確切證據(jù)，但又具備重要的理論意義。

2019年11月，我國科研團隊發(fā)現(xiàn)了一個70倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，并提供了一種利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。這個恒星級黑洞遠超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們以往對恒星級黑洞形成的認知。

值得注意的是，此次發(fā)現(xiàn)的中等質(zhì)量黑洞也因“質(zhì)量過重”受到部分科學(xué)家懷疑，他們認為其中一個或兩個黑洞并非像大多數(shù)恒星質(zhì)量黑洞那樣由恒星坍縮形成。

“根據(jù)現(xiàn)有理論，坍縮恒星應(yīng)該不能形成質(zhì)量約為65倍—120倍太陽質(zhì)量的黑洞，這個范圍被稱為‘對不穩(wěn)定質(zhì)量空缺’。”茍利軍表示。對此，國外研究人員提出了分級并合的可能性，即發(fā)生并合的兩個黑洞之前均由更小的黑洞并合而成。

根據(jù)LIGO團隊的研究，中等質(zhì)量黑洞可能是由質(zhì)量較小的黑洞并合形成，如果能發(fā)現(xiàn)更多正在并合的中等質(zhì)量黑洞，或許可以解決關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的一個謎團，即它們的起源。

大多存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞，其起源對科學(xué)家來說依然迷霧重重。學(xué)界已有的理論認為僅含氫、氦兩種元素的氣體云迅速收縮形成了超大質(zhì)量黑洞。然而該理論僅能解釋部分在早期宇宙中的超大質(zhì)量黑洞起源，卻很難解釋目前觀測發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞數(shù)量為何多于預(yù)期這一問題。

據(jù)了解，盡管天文學(xué)家對引力波信號引力波信號GW190521的發(fā)現(xiàn)和中等質(zhì)量黑洞存在的可能性感到興奮，但天體物理學(xué)家也并不排除此次發(fā)現(xiàn)有其他可能性來源。

“毋庸置疑的是，就研究意義而言，本次發(fā)現(xiàn)至少提供了中等質(zhì)量黑洞通過并合形成的一個證據(jù)。越了解中等質(zhì)量黑洞，對于探析超大質(zhì)量黑洞的形成乃至衍生出更多相關(guān)學(xué)說就越有裨益。當然，這一切都需要更多觀測數(shù)據(jù)來逐步實現(xiàn)。”茍利軍表示。(洪恒飛 記者 江 耘)

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