【關(guān)注】一個(gè)不到0.1秒的信號(hào) 或能幫人類(lèi)厘清黑洞成長(zhǎng)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(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)與位于意大利的室女座引力波天文臺(tái)(Virgo)攜手探測(cè)到了一個(gè)約為142倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞，這也是科學(xué)家首次探測(cè)到中等質(zhì)量黑洞。據(jù)悉，該黑洞由兩個(gè)質(zhì)量約為85倍太陽(yáng)質(zhì)量和65倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合而來(lái)，其損失的等同8倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波的形式在宇宙中擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，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(guò)引力波探測(cè)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授茍利軍在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

曾有多次發(fā)現(xiàn)均未得到進(jìn)一步證實(shí)

1916年，德國(guó)科學(xué)家卡爾·史瓦西求得廣義相對(duì)論愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)精確解，為黑洞的存在奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)——任何物體只要被壓縮到某個(gè)臨界半徑，就會(huì)坍縮成奇點(diǎn)，極端扭曲周?chē)鷷r(shí)空，形成強(qiáng)大引力場(chǎng)，在一定范圍內(nèi)，連光也無(wú)法逃脫。

時(shí)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(lèi)：質(zhì)量為數(shù)倍到100倍太陽(yáng)質(zhì)量之間的恒星級(jí)黑洞，質(zhì)量為一百萬(wàn)至數(shù)十億倍太陽(yáng)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(gè)演化過(guò)程是個(gè)連續(xù)的過(guò)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(yuǎn)鏡觀測(cè)到了超級(jí)熾熱氣體的爆發(fā)，認(rèn)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(duì)NGC2276星系進(jìn)行觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)中等質(zhì)量黑洞……很遺憾，不少這類(lèi)發(fā)現(xiàn)均未得到進(jìn)一步證實(shí)。”茍利軍介紹道，黑洞的探測(cè)需要等待合適的時(shí)機(jī)，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(shí)候才能探測(cè)到。

“目前人類(lèi)探測(cè)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(gè)恒星級(jí)黑洞，但直到現(xiàn)在真正得到確認(rèn)的只有數(shù)十個(gè)。”茍利軍說(shuō)。

茍利軍解釋說(shuō)，黑洞自身不產(chǎn)生電磁波，因而無(wú)法直接被探測(cè)到。目前探測(cè)黑洞只能通過(guò)黑洞周?chē)囊恍┹椛洮F(xiàn)象，比如距離黑洞較遠(yuǎn)的氣體在靠近黑洞的過(guò)程中與黑洞相互摩擦，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，我們就可以利用電磁探測(cè)方式來(lái)間接地探測(cè)到黑洞。

破譯70多億年前的引力波信號(hào)

引力波又被稱為時(shí)空的漣漪，是因?yàn)闀r(shí)空受引力擾動(dòng)后，這種擾動(dòng)會(huì)像水波一樣向外以光速傳播。引力波帶來(lái)的效果之一就是使兩點(diǎn)間的距離有規(guī)律地振蕩。

“通過(guò)精確測(cè)量地球上兩點(diǎn)間距離的變化，LIGO就能探測(cè)到引力波。”茍利軍解釋道，因?yàn)殡p黑洞系統(tǒng)通常不會(huì)產(chǎn)生引力波之外的其他任何信號(hào)，所以引力波是目前探測(cè)雙黑洞系統(tǒng)的唯一利器。

宇宙中的引力波分別可以通過(guò)地基的引力波天文臺(tái)、空間的引力波激光干涉天線、脈沖星計(jì)時(shí)陣和宇宙微波背景輻射的極化等探測(cè)到。精準(zhǔn)探測(cè)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(cè)器。”茍利軍說(shuō)，激光從探測(cè)器中間發(fā)出后會(huì)一分為二，沿著兩條幾公里長(zhǎng)的等長(zhǎng)干涉臂，被反射多次后又會(huì)重新聚到一起相互干涉，干涉后信號(hào)的強(qiáng)弱可以被光子探測(cè)器觀測(cè)到。當(dāng)來(lái)自宇宙深處某一波源的引力波信號(hào)跨過(guò)時(shí)空抵達(dá)地球，經(jīng)過(guò)干涉儀時(shí)兩條干涉臂的臂長(zhǎng)會(huì)發(fā)生微弱但并不相同的變化，導(dǎo)致干涉后的信號(hào)強(qiáng)弱會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。通過(guò)測(cè)量這個(gè)變化就能夠捕捉到引力波信號(hào)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(duì)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(gè)不同的波段，波長(zhǎng)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(cè)結(jié)果中破譯的少量信息來(lái)建立假設(shè)。”茍利軍說(shuō)。

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

茍利軍表示，相信在未來(lái)，地基引力波天文臺(tái)會(huì)探測(cè)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(duì)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(lái)

長(zhǎng)期以來(lái)，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(cè)的確切證據(jù)，但又具備重要的理論意義。

2019年11月，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)70倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，并提供了一種利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新方法。這個(gè)恒星級(jí)黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們以往對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)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(guò)重”受到部分科學(xué)家懷疑，他們認(rèn)為其中一個(gè)或兩個(gè)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(yáng)質(zhì)量的黑洞，這個(gè)范圍被稱為‘對(duì)不穩(wěn)定質(zhì)量空缺’。”茍利軍表示。對(duì)此，國(guó)外研究人員提出了分級(jí)并合的可能性，即發(fā)生并合的兩個(gè)黑洞之前均由更小的黑洞并合而成。

根據(jù)LIGO團(tuán)隊(duì)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(gè)謎團(tuán)，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(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)依然迷霧重重。學(xué)界已有的理論認(rèn)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(cè)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(wèn)題。

據(jù)了解，盡管天文學(xué)家對(duì)引力波信號(hào)引力波信號(hào)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(lái)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(guò)并合形成的一個(gè)證據(jù)。越了解中等質(zhì)量黑洞，對(duì)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(shuō)就越有裨益。當(dāng)然，這一切都需要更多觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)。”茍利軍表示。(洪恒飛 記者 江 耘)

關(guān)鍵詞： 信號(hào) 黑洞成長(zhǎng)歷史