引力波探测再带来震撼：大规模黑洞合并事件昭示天体物理学新问题

在大众舆论中沉寂数年后，引力波再次进入人们的视野。这一次，它似乎是要向我们讲述一个宇宙中“本不应该发生的故事”。

根据两篇研究论文——分别刊登于今天的《物理学评论快报》（Physical Review Letters）上和《天体物理学期刊快报》（The Astrophysical Journal Letters）上——的介绍，位于美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和位于意大利的 “处女座” 引力波探测仪（Virgo），均于 2019 年 5 月探测到了约四次短时的空间震动，每次震动持续时间不超过十分之一秒。LIGO 和 Virgo 的研究人员随后将此次探测到的信号标记为了 GW190521 信号。

图 | 黑洞合并过程示意图

根据论文，此次事件的信号源距地球约五吉秒差距（Gpc，一吉秒差距约相当于 32.6 亿光年），在信号源发出信号时，宇宙的年龄仅为当前的一半，而 GW190521 也因此成为了人类迄今为止所探测到的最远的引力波事件。

在地球上的引力波探测设施至今所探测到的合并事件中，参与合并的天体不是两个黑洞，就是两个中子星。而根据论文所给出的计算，研究人员认为，产生此次信号的事件很有可能是一次规模巨大的双黑洞合并事件，并认为参与合并的两个黑洞质量分别约为 85 和 66 倍太阳质量，两个黑洞合并后所形成的新黑洞质量约为 142 个太阳质量，事件本身向外释放了约 8 个太阳质量所蕴含的能量，并以引力波的形式扩散至整个宇宙，使得 GW190521 除了是人类目前探测到的最远的引力波信号，也是目前我们探测到的规模最大的天体合并事件。

此外，研究人员还认为，根据对两个黑洞自旋的测量，随着参与合并事件的两个黑洞彼此间的距离越来越近，两个黑洞也越来越倾向于绕着它们自身，与运动轨道不同的轴向旋转（自转），导致运动轨迹发生旋转，使两个黑洞在合并前的运动轨迹呈螺旋形。

图 | GW190521 源事件的艺术想象图，（来源：LIGO/Caltech/MIT）

首次观测到质量异常的黑洞

法国国家科学中心研究员 Nelson Christensen 说：“此次信号与我们此前所探测到的黑洞合并事件所产生的信号有所不同，与 LIGO 于 2015 年首次探测到的黑洞合并事件所放出的引力波信号相比，此次的信号简直就像是一次‘爆炸’，而这也确实是 LIGO 和 Virgo 至今探测到的最‘大’的事件。”

美国国家引力物理项目主任 Pedro Marronetti 说：“这次的信号可以说是 LIGO 为我们带来的又一个惊喜，这种仪器起初并不是为了专门探测恒星级的合并事件而被设计的，但它不但能持续探测到这些事件，还能探测到那些包含‘质量异常’的天体的这类事件。”

我们此前所观测到的所有黑洞都能被分为两类，一类是恒星级黑洞（质量为几倍到数十倍太阳质量，一般由大质量恒星死亡时产生），一类是超大质量黑洞（质量为成千上万倍甚至数十亿倍太阳质量，银河系中心就有一个），而此次产生 GW190521 信号的事件所合并出的黑洞，质量为 142 倍太阳质量，位于上述两种分类之间，属人类首次被观测到的一个 “中阶” 黑洞；而合并为该黑洞的那两个黑洞质量也较为巨大，以至于有研究人员认为那两个黑洞可能并非由大质量恒星坍缩而成。

根据现有的恒星演化理论，恒星内部由光子和气体产生的向外的力会支撑恒星抵抗向内的引力，使恒星处于相对稳定状态（比如太阳），但当大质量恒星的燃料燃烧殆尽时，其星核所产生的向外的支撑力便会小于重力，导致恒星在自身引力的作用下坍缩，形成超新星爆炸，并最终变成中子星或黑洞。

上述理论能解释质量为 130 倍以下太阳质量的大质量恒星如何能最终变为质量为 65 倍以下太阳质量的黑洞，但对于质量更大的恒星来说，一种名为 “对不稳定性（pair instability）” 的现象将在恒星死亡时被引发，在这一过程中，星核内处于超高能状态的光子会变为 “电子 - 反电子” 对，这些电子 - 反电子对所产生的向外的力要小于光子能产生的力，使得恒星在短时间内变得极不稳定，最终演变为一次强劲的 “对不稳定性” 超新星爆炸，使一切都荡然无存；而质量更高的恒星（比如 200 倍以上太阳质量）则会最终坍缩为至少 120 倍太阳质量的黑洞。由此，65 至 120 倍太阳质量间的这个区间，被天文学家们称为 “对不稳定性质量空缺” 区间，理论上说，直接由一颗恒星坍缩形成的黑洞质量是不会落在这个区间的。

但此次制造 GW190521 事件的两个黑洞，质量分别约为 66 倍与 85 倍太阳质量，是人类首次观测到质量位于 65 至 120 倍太阳质量这一 “对不稳定性质量空缺” 区间内的黑洞。

图 | 黑洞质量排行：最近的黑洞合并以 142 个太阳质量位居榜首。

两篇论文中，发表在《物理学评论快报》上的这篇着重探讨事件物理意义（另一篇着重介绍此次发现的过程），论文作者认为造成这种情况出现的一个可能原因，或许是参与合并事件的两个黑洞此前也是由较小的黑洞合并而成。

LIGO 研究员、加州理工学院物理学教授 Alan Weinstein 说：“此次发现对物理和天体物理学界提出的问题要远多于它所能回答的问题，不得不说这着实是一次令人兴奋的事件。”

意料之外

除了质量异常，GW190521 还隐藏着许多其他问题。比如，一般 LIGO 和 Virgo 在接收到穿过地球的信号时，为这类设备所设计的一套数据筛选算法会自动将收集到的数据以两种方法进行分析，一种是通过特定的波形来判断信号是否由双星系统产生，一种是更为普适的寻找 “突发式” 信号的方法，用于判定发出信号的事件是否十分独特、值得被研究。而此次 GW190521 信号的源头事件虽由一个 “双星系统” 产生，但算法却是用第二种，即更为普适的寻找 “突发式” 信号的方法分析出了这一信号。

图 | 由 LIGO-Hanford（左）、LIGO-Livingston（中）和 Virgo（右）探测器观测到的GW190521 事件。

LIGO 研究员，麻省理工学院助理教授 Salvatore Vitale 说：“通过特定波形判断信号是否由双星系统发出，实际上是以特定条件（比如固定时间差）对数据进行梳理，而‘突发式’信号搜索则更像是一种‘全包’的方法。”

有研究人员认为，由 “突发式” 信号搜索分析出的 GW190521 信号其实也有可能不是由双星系统产生——如果真是那样，那将意味着科学家第一次借助于引力波探测到了并非由双星合并制造的天体物理学事件。Alan Weinstein 说：“这种说法并非完全没有可能，但目前已知的信息还不足以帮助我们断言此次事件就是一种全新的事件，因此至少从可能性上来说，信号由双星系统产生目前仍是我们的‘最佳选项’。但值得注意的是，此次事件目前确实也存在着其他可能，虽然自 LIGO 开机以来，我们所探测到的所有事件都是黑洞或中子星的双星系统融合事件，但此次探测到的信号所预示的一些内容确实已经超出了我们的理论预测范围，这无疑是令人兴奋的。”