引力波再立功,理論中的黑洞被發現,科學家的疑惑解開了

天空之城 2020/09/08 檢舉 我要評論

1915年,偉大的愛因斯坦發表了廣義相對論,震驚了世界。幾年後,德國天體物理學家卡爾·史瓦西根據廣義相對論,推測出了宇宙中一種神秘的天體——黑洞。

時至今日,我們已經證實了黑洞的存在,並且還發現了多種不同的黑洞,比如恒星級黑洞、超大品質黑洞。其中,恒星級黑洞的品質一般不超過太陽的100倍,而超大品質黑洞則普遍在100萬倍太陽品質以上。奇怪的是,科學家們多年以來一直沒有找到介於二者之間的哪一種——中等品質黑洞。

我們認為這種黑洞就應該是存在的,但是長期以來,儘管一顆顆恒星級黑洞和超大品質黑洞不斷被發現,中等品質黑洞卻總是不肯露面,這一直困惑著科學家們。

最近,科學家們終於找到了迄今為止最有力的中等品質黑洞證據之一,在一次極為短暫的引力波中,科學家們發現了這個神秘的天體。

LIGO和Virgo干涉儀是當今世界測量引力波最強大的設備之一,正是它們,在歷史上首次證實了愛因斯坦所預言的引力波。2019年5月21日,它們再一次探測到了引力波,科學家們當時就發現,這一次的引力波不同尋常。它的不同之處,就在於持續的時間非常短。不過,不尋常的信號,意味著不尋常的事件,他們在仔細研究之後,果然獲得了振奮人心的結果。

德國馬克斯·普朗克引力物理研究所和馬里蘭大學的理論物理學家Alessandra Buonanno介紹說:「從一開始,確定這個僅僅持續1/10秒的信號來源就給我們提出了巨大的挑戰。不過,雖然持續時間短,但我們還是成功將它與黑洞的合併對應在了一起,正如愛因斯坦的廣義相對論所預言的那樣。我們發現自己在歷史上首次發現了中等品質黑洞從母體中誕生,而它極有可能是此前兩個黑洞合併而成的。」

根據他們的觀測,這次引力波來自於大約70億光年之外。在這裡,有兩個品質分別是太陽66倍和85倍的黑洞發生了一次人類迄今為止觀測到最強大的雙黑洞合併事件。最終,兩個黑洞完全合併在了一起,結合成為一個品質為太陽142倍的新黑洞。而這個新黑洞的品質,恰好就符合一顆中等品質黑洞的標準。

(圖片說明:科學家模擬雙黑洞合併產生引力波的過程)

正是這次引力波的發現,改變了現狀。這一次被稱為GW 190521的引力波事件,可以說是人類歷史上第一次結論性的直接觀測到的中等品質黑洞。在此之前,雖然也有一些關於發現中等品質黑洞的新聞傳出,但全部都是根據一些天體的運動模式而間接推測的,因此始終沒有完全得到學術界的認可。

不僅僅是這顆中等品質黑洞令科學家興奮,形成它的兩個黑洞同樣與眾不同。根據以往的模型,品質超過太陽65倍的黑洞就已經非常特殊,它不太可能是由恒星死亡後形成的。因為如果一顆恒星能夠形成這麼大的黑洞,勢必此前的品質極為驚人。這樣的恒星不是不存在,而是會以不穩定對超新星的方式爆發,不留下任何痕跡,更不可能留下一個黑洞。

因此,這就是理論上恒星級黑洞的品質臨界值,其中下限值就是黑洞和中子星的臨界值,上限就是最小的不穩定對超新星核心品質,也就是大約65倍太陽品質。而如今,科學家卻發現了一顆品質達到太陽85倍的黑洞,而且引力波不太可能出錯,那麼它又是如何形成的呢?

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