2019年5月21日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)与意大利“室女座”天文台(Virgo)共同探测到了一次持续时长<0.1s的引力波信号GW190521
2020年9月2日,LIGO公布信息,表明引力波来自于70亿光年外的一次黑洞合并
在这次合并中,参与事件的两颗黑洞分别具有65M⊙和85M⊙,最终形成了一个质量为142M⊙的中等质量黑洞
那么什么是中等质量黑洞呢?
黑洞主要有恒星黑洞和超大质量黑洞两种
恒星黑洞是指由大质量恒星坍缩而形成的黑洞,其质量介于数倍至数十倍太阳质量之间,目前发现的最大的恒星黑洞是我国天文学家用郭守敬望远镜(LAMOST)发现的70M⊙的LB-1黑洞,它被称为黑洞之王,距离地球约12000光年
超大质量黑洞一般指的是质量在10*M⊙~10⁷M⊙以上的大型黑洞,一般位于星系的中心;形成于宇宙早期、比较年轻的、释放出高能量的活跃星系核则称作类星体;目前可能是人类已知的最大黑洞SDSS J140821.67+025733.2就位于距地35亿光年外的OJ 287类星体中,其质量粗测约为1.96x10¹¹M⊙,即1960亿倍太阳质量
多说一句这个OJ 287类星体,它的中心是一个双黑洞系统,有两个黑洞互相绕转,小的那个质量约为10⁹M⊙(即1亿倍太阳质量),它们大概会因为引力波不断释放轨道能量并在1万年之后合并
但是就和此前的最大恒星盾牌座UY一样,它的质量争议是十分大的,所以1960亿倍太阳质量的数据只是个参考,有可能是错的,不同的资料显示质量相差十分巨大,它可能根本没这么大
为啥呢?因为黑洞是有质量上限的,毕竟黑洞的成长速度有限,而宇宙年龄也才137~138亿年,所以黑洞最多长到500亿倍太阳质量;当然OJ 287的质量下限远远达不到500亿倍太阳质量,所以我偏向180亿倍太阳质量的下限
超大质量黑洞和恒星黑洞说完了,那啥叫中等质量黑洞呢?
中等质量黑洞一般是指质量范围介于100~10*M⊙之间的黑洞,介于恒星黑洞和超大质量黑洞之间,比较有代表性的候选人是2015年左右被发现的位于1亿光年外的NGC-2276-3c,质量约为5万倍太阳质量
那么有没有被确认的中等质量黑洞呢?
很可惜,不同资料说法不一,有些资料声称一颗在M82星系中的黑洞和距离我们3亿光年的另一颗黑洞可能成为候选者;也有资料声称它们是已经确认的中等质量黑洞,还有声称它们不存在的;因为无法找到很准确的资料来源所以我不会具体回答这个问题,这样的声明一般来自各种媒体的报道,比如这篇来自2015年3月24日对NGC-2276-3c的报道
那这些说首次探测到中等质量黑洞的是假新闻吗?
也不是,对此我有两种解释,也无法确定,但是差不多就是这样
LIGO探测到的是首个能被确认的中等质量黑洞
质量区间位于100~1000M⊙之间的中等质量黑洞是首次被真正探测到
为什么此次观测结果如此重磅呢?
因为根据现有的理论,65~130M⊙的黑洞无法由恒星坍缩形成(一说70~130M⊙以解释LB-1黑洞),这个性质叫做对不稳定性(Pair-instability),它们一般是130~250M⊙之间的大质量恒星具有的特性;而在100~130M⊙之间的恒星则具有类似的性质,在这两个质量区间的恒星可以生成65~130M⊙之间的黑洞;但是在100~250M⊙之间的恒星因为其所具有的对不稳定性而形成对不稳定超新星(Pair-instability Supernova)造成这一质量区间的黑洞无法形成;这种现象叫对不稳定质量空缺
那么所谓的对不稳定性是什么意思呢?
对于质量在100~130M⊙之间的恒星,它们就有了类似的特征
这些恒星会在生命的最后在其核心产生不稳定对,以至于造成局部的热核反应被加快延缓恒星的坍缩;这些热核反应加速的地区其实就是不稳定对产生的地区,它们也会向外释放热脉冲,延缓恒星坍缩的过程也同时把恒星的外层物质向太空抛洒,就是海山二发生的事情那样
恒星物质被大量抛撒会造成恒星质量急剧减少到100M⊙以下,发生普通的II型超新星爆炸而避免了65~130M⊙之间的黑洞形成
那么130~250倍太阳质量的恒星呢?
这些恒星在坍缩时速度极快,它们会产生大量伽马光子,进而产生正电子和电子,正反电子对释放的能量压力比光压要小很多,这造成了恒星内部的热压力迅速消失,坍塌失控并在0.1到数秒钟的时间内极度压缩恒星核的物质,致使整个星核迅速发生聚变燃烧,产生热核爆炸,简单来说就是恒星核内所有的氢、氦、碳等轻元素都在瞬间变成了热核燃料,成为了一颗超大的氢弹爆炸了
那么这颗“氢弹”的威力有多大呢?
这颗氢弹会使得整颗恒星被完全炸碎摧毁,一切恒星物质被抛洒到太空中,核内物质则因为超新星核合成主要转变为镍-56,不会有类似白矮星、中子星或黑洞这样的天体存在,唯一剩下的就是绚烂无比的星云;而剩下的镍-56是一种半衰期为6.1天的放射性镍元素,它们会衰变为半衰期为77天的钴-56
类似于第一个被证实的对不稳定超新星爆发SN 2007bi,其中可以观测到十分明显的放射性镍元素光谱,在爆炸中有20多种重元素被释放进太空中;而这颗恒星被推测诞生时质量约200倍太阳质量,爆炸时只有114倍太阳质量
而极超新星(Hypernova)SN 2007gy在爆发时,有约40倍太阳质量的物质被转化为了镍-56,可惜该超新星并未被证明为对不稳定超新星
而250倍太阳质量以上的恒星则因为引力太大,产生的冲击力无法炸碎恒星照样产生黑洞
上述内容我们可以发现,对不稳定性可以造成恒星几乎无法形成65~130M⊙以内的黑洞,这也是此次发现的85M⊙黑洞引发讨论的主要原因,因为我们的现有理论无法解释85M⊙黑洞的形成
那么这是不是意味着...现有的黑洞理论可以被改写了呢?
不一定
因为黑洞理论现在仍然不是很完善,有关黑洞形成的机制还是十分多的,不是就这两三个就完事了;万一这个85倍太阳质量的黑洞是以前的几个更小的黑洞合并成的呢?这种说法也不是没可能的对吧...
还有一种可能就是这个引力波不是黑洞合并产生的,而是一个新的未被发现的古老天体产生的,不过我不支持这个说法,为啥呢
根据广义相对论,引力波只能以四极矩的形式存在,中心对称的物体/天体是无法产生/发射引力波的,而这说明这个天体不是球形的,这么大质量再咋地也得是个球吧,除非它转的太快太快太快了
我不是说单个天体不能产生引力波啊,指的是单个球形天体不能产生引力波,天体不一定都是球体的,你看水委一它就是个椭球型,不过这样天体能发出的引力波也肯定小的没法看
而这次的观测结果刷新了人们的认知,对此类中质量黑洞的研究仍在进行,有望找到黑洞相关的更多信息,解释中质量黑洞乃至超大质量黑洞的形成
然而我们对自然科学的探索还将继续,因为我们仍然试图揭开世界如何运行的奥秘;因为我们仍然在抽丝剥茧,解构自然...
——杨帆 《解构自然》2018.11.11“被修改的千克定义”