一次融合，一串聲音，史無前例的黑洞悄然形成

宇宙的聲音，簡短有力，講述著黑洞長大的故事

引力波天文台探測到了目前為止最大質量的黑洞發生的並合事件，這或許會改變我們對黑洞形成的認知。

我們通過引力波所觀測到的，有史以來最大質量的雙黑洞碰撞事件所引起的時空漣漪。

圖片來源：N. Fischer / H. Pfeiffer / A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics) / Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

2019年5月21日，格林尼治時間3時2分29秒（北京時間21日11時2分29秒），美國的LIGO引力波探測器以及歐洲的Virgo引力波探測器共同觀測到一個微小的時空漣漪，證明了中等質量黑洞的存在。這次的引力波信號也向天體物理學家講述了這些“貪吃”的大天體如何生長的故事。

“這實在是無比的激動人心！”普林斯頓大學的一位黑洞研究員Jenny Greene說。

這個持續時長僅0.1秒的引力波信號，被命名為GW190521。大約七十億年前，在一個遙遠的星系當中，兩個恒星級黑洞在發生碰撞與融合，最終形成一個142倍太陽質量的龐然大物的時候，發出了這段信號。這個142倍太陽質量的黑洞，是我們目前為止通過引力波探測到的最大質量的黑洞。這樣的融合事件暗示著，黑洞其實可以通過碰撞與融合逐漸“生長”，或許甚至可以通過數次這樣的事件，最終形成那些位於星系中心的超大質量黑洞。

來自荷蘭烏得勒支大學，同時也是Virgo團隊成員的Chris van Den Broeck表示，這次的引力波信號較短的持續時間和較低的頻率，都讓它的來源變得難以確定。有很多種推測都可以較為合理地解釋這段信號，即使有的推測顯得比較奇異。然而，這段信號最有可能的來源仍舊是雙黑洞並合事件。關於這段信號更加詳細的分析已經於2019年9月2日在《物理評論快報》上發布。文章中指出，這次發生碰撞的兩顆黑洞都具有史無前例的較大質量，分別為66倍太陽質量和85倍太陽質量。

使用引力波探測到的，最大質量的雙黑洞碰撞引起的時空漣漪

圖片來源：Deborah Ferguson / Karan Jani / Deirdre Shoemaker / Pablo Laguna / Georgia Tech / MAYA Collaboration

已有的天文學知識告訴我們，超新星爆發後產生的黑洞的質量，不會處在65倍太陽質量與120倍太陽質量之間。如果要產生處在這個質量範圍內的黑洞，那麼原始恒星的質量就需要在130倍太陽質量與200倍太陽質量之間。然而，如此大質量的恒星在演化的過程中，會受到“對不穩定性”過程的影響。這種過程會將恒星完全炸開，難以留下什麼殘餘。

因此，在這次黑洞並合事件中，至少那一顆85倍太陽質量的黑洞——或許那顆66倍太陽質量的黑洞也是一樣——可以肯定是以一種完全不同的方式形成的。或許，它也來自於一次發生時間更早的融合事件。“一顆85倍太陽質量的黑洞不會是直接產生的。這或許正提醒我們，在像球狀星團這樣較為擁擠的環境中，或許一直在發生這種逐級的融合事件。”

這一次的引力波探測結果，不僅僅意味著人們首次觀察到了一顆處於“對不穩定性質量範圍”中的黑洞。這次融合事件的結果，也是人類第一次通過可靠的觀測手段找到了超過100倍太陽質量的黑洞。“這些都是我們一直在尋找的，形成那些超大質量黑洞的‘種子’。”來自北京大學的何子山教授這樣說。

這幅圖展示了我們觀測到的黑洞與中子星的質量分布。紫色代表使用電磁手段（光學或射電觀測）找到的黑洞，藍色代表通過引力波探測到的黑洞，黃色代表使用電磁手段觀測到的中子星，橙色代表通過引力波探測到的中子星。本次探測到的GW190521突出顯示在圖片的中央部分，因為這一次，兩顆黑洞並合後產生的是我們有史以來通過引力波探測到的最大質量的黑洞。

圖片來源：LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller

中等質量黑洞填補了恒星質量黑洞與超大質量黑洞之間的間隙。恒星質量黑洞一般在超新星爆發時產生，而超大質量黑洞一般可以在星系中心觀察到，它們可以重達數百萬或數十億倍的太陽質量。根據同時發表在《天體物理學雜志快報》上的一篇報道，這一次觀測到的GW190521事件證明了中等質量黑洞可以來源於兩個較小質量黑洞的融合。這意味著，中等質量黑洞或許真的就是我們在推測超大質量黑洞形成過程時缺失的一環。

然而，Strader指出，超大質量黑洞形成的逐級融合理論同樣存在自己的問題。模擬的結果表明，融合事件的產物大多會從物質分布比較致密的環境中噴出，而那些物質分布致密的環境，才是逐級的融合事件需要發生的地方。“我猜想，像GW190521這樣的事件並不與超大質量黑洞的形成相關。超大質量黑洞或許需要由更大質量的原料形成，或者它們的形成根本就是依賴最初的氣體吸積過程而非融合。”他說。

Greene研究員近期與Strander和何子山教授共同在《年度回顧》期刊上共同發表了一篇關於中等質量黑洞的綜述。她認為，目前提出的所有超大質量黑洞形成的理論都存在自己的問題。“我們不可能有足夠的運氣，去得出‘所有中等質量黑洞都是通過同一種過程形成’的結論。”她說，“然而，如果我們可以肯定地說，一系列的黑洞融合事件是可以發生的，我們確實會得到一些非常重要的新知。”

Van Den Broeck指出，未來的引力波探測設備，例如歐洲提出的愛因斯坦望遠鏡計劃，以及美國提出的宇宙探索者計劃，將有能力去探測更大質量的黑洞的融合以及形成事件。它們將有可能探測到200倍到1000倍太陽質量的黑洞的形成，而這些是目前的LIGO和Virgo探測器由於波段限制而無法做到的。最終，天文學家或許能通過這些研究，揭開在宇宙的歷史中，這些中等質量黑洞的誕生與發展的過程。

BY: GOVERT SCHILLING

FY: 莫語諶

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