专栏/黑洞理论将要被推翻?浅谈LIGO的新发现与黑洞的形成机制等内容

黑洞理论将要被推翻?浅谈LIGO的新发现与黑洞的形成机制等内容

2020年09月05日 07:33--浏览 · --点赞 · --评论
天音_UMP45
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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

黑洞合并产生引力波示意图

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

截图自:http://kepu.gmw.cn/2019-11/28/content_33356751.htm

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

OJ 287示意图

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

NGC-2276-3c图像

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

罗辑才是重点吧,下面的广告忽略就行,报道来自:https://tech.qq.com/a/20150324/015020.htm

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

  1. LIGO探测到的是首个能被确认的中等质量黑洞

  2. 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

海山二是一颗质量介于120~200M⊙之间的大质量恒星,距离地球约7500~8000光年。它外面的这个花生样的东西就是它死亡前由于对不稳定性而抛洒的大量恒星物质,;1841年时其亮度因此超过了距地仅8.6光年的天狼星,当时的人们在白天都能看到它

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

这是一个比较简单的p-p链核聚变反应过程,在对不稳定超新星中,聚变反应有十余种元素参加,极其复杂

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

水委一概念图,自转太快就扁了

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”


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