引力波观测到迄今最轻黑洞

仙仙

据《科学》报道，观测结果由物理学家利用美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利室女座探测器（Virgo）获得。这个神秘天体是在2019年8月14日被探测到的，当时它正与一个质量为太阳质量23倍的黑洞合并，产生了引力波，这一合并事件被称为GW190814。6月23日，相关成果在《天体物理学杂志通讯》上发表。


数十年来，天文学家对介于中子星与黑洞之间的“质量间隙”感到困惑：最重的中子星不超过太阳质量的2.5倍（2.5个太阳质量）；已知最轻黑洞约是5个太阳质量。而新观测到的神秘天体为2.6个太阳质量，它完全处于理论假设的“质量间隙”之中。


“这个2.6个太阳质量的天体令人震惊，因为它落在了质量间隙中。”LIGO团队成员、美国西北大学天体物理学家Vicky Kalogera说，“我们第一次看到这样的物体。”


LIGO和Virgo目前还无法通过引力波确定它是什么。但核物理表明，当中子星超过2.2个太阳质量时，是无法承受自身重量的。据此，未参与观测的美国马里兰大学帕克分校天体物理学家Cole Miller推测，该物体“几乎可以肯定”是一个黑洞。


在LIGO和Virgo运行之前，唯一的黑洞观测证据来自对银河系大约30个黑洞的研究，每个黑洞都有一颗伴星运行，伴星为黑洞输送热物质。2010年，亚利桑那大学天体物理学家Feryal Ozel和同事发现，这些黑洞没有一个质量小于5个太阳质量。所以他们假设在2.5~5个太阳质量间存在一个质量间隙，其中既不存在中子星，也不存在黑洞。


但Feryal Ozel强调，这个概念建基于观察。“有没有一个物理理论说黑洞不能在小于5个太阳质量时成？”Feryal Ozel说：“我们不这样认为，但在大质量恒星的演化过程中，一定有一些因素使得这一过程非常困难。”


理论学家解释了为何如此——当一颗大质量恒星耗尽氢燃料、核心开始塌缩时，中子星或黑洞都可能形成。如果恒星足够轻，当超新星爆炸时，其核心会塌缩成中子星。然而，如果恒星质量太大，那么其核心将收缩到一个无限小的点，只留下超强引力场：黑洞。理论认为，对于这些重恒星来说，除了最外层，其余部分都会坍塌，从而将黑洞质量提升到5个太阳质量甚至更多。


Miller表示，新的观测结果可能会对质量间隙假设产生影响。作为这一假设最初的支持者之一，Feryal Ozel表示 “新发现非常令人兴奋”，“更重要的是，LIGO和Virgo已经证明了以不同方式形成低质量黑洞是可能的”。


未参与该研究的哥伦比亚大学理论天体物理学家Brian Metzger说，真正的谜团可能是新观测到的两个黑洞的极端质量比。就在几周前，LIGO和Virgo公布了GW190412事件，两个黑洞的质量比约为4比1。而这次发现中，两个黑洞的质量比为9比1。


相关论文信息：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f