科学家发现最大黑洞

双黑洞合并产生引力波的模拟图。 （马克斯普朗克引力物理研究所/图）

引力波的发现是21世纪迄今为止最重要的物理学成就之一，三位物理学家因为对发现引力波的重要贡献获得了2017年诺贝尔物理学奖。自2015年9月14日首次探测到引力波信号以来，科学家不断发现新的引力波信号。这种时空涟漪携带着源的重要信息，引力波天文学也开启了探索宇宙的新道路。

2020年9月2日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）与位于意大利的室女座引力波天文台（Vigro）共同宣布他们利用引力波探测到一个质量为142个太阳的黑洞。这是科学家首次探测到质量介于100个太阳到1000个太阳之间的“中等质量黑洞”，也是到目前为止科学家利用引力波探测到的质量最大的黑洞。科学家推测，这个黑洞由两个较小的黑洞合并而成，而两个参与合并的黑洞中质量较大的一个，其质量并不在此前理论允许的质量范围内。这些发现将挑战我们关于大质量恒星生命周期最后阶段的理解，并加深我们对黑洞形成和演化的认识。

关于这项研究的两篇论文于9月2日同时发表：其中一篇发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，详细介绍了这个引力波信号的发现；另一篇发表在《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上，讨论了信号的物理性质和天体物理学意义。

LIGO和Virgo在2019年5月21日分别探测到这个信号，因此这个信号被编号为GW190521。这个信号源同地球的距离大约为70亿光年，是科学家探测到的最远的引力波源。科学家使用最先进的计算和建模工具，揭示出这次不同寻常的合并的大量信息。

他们推测GW190521最有可能来自不同寻常的双黑洞合并事件。到目前为止确认的所有引力波信号都来自双星合并事件，要么是双黑洞合并，要么是双中子星合并，而这次合并事件就是两个质量分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量的黑洞的合并。两个黑洞合并时，形成一个新的质量大约为142倍太阳质量的黑洞，同时释放出巨大的能量。这些能量大约相当于8个太阳的质量。法国国家科学研究中心研究员、Virgo合作组织成员尼尔森·克里斯滕森（Nelson Christensen）表示：“这不像我们通常探测到的啁啾声一样的信号。”在科学家于2015年第一次探测到的引力波事件GW20150914中，两个黑洞合并释放出3个太阳的质量。与那次的信号相比，“这次更像是一次巨响，是LIGO和Virgo到目前为止探测到的最强大的信号。”

科学家目前观测到的黑洞根据质量可以分为两类：恒星级黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞的质量在几个到几十个太阳之间，被认为是恒星死亡时形成的。超大质量黑洞的质量在数千个太阳到数十亿个太阳之间，我们银河系的中心就有这样的黑洞。而142个太阳质量的黑洞则属于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞，这也是科学家第一次探测到这种类型的黑洞。它所在的100个到1000个太阳质量这个区间被称作“黑洞沙漠”，就是因为科学家此前发现的位于这个质量区间的黑洞候选天体极少。这个质量的黑洞同对天体物理学家和宇宙学家来说最困扰也最具挑战性的问题之一有关：超大质量黑洞的起源。他们推测这些宇宙中的“巨兽”可能来自较小的中等质量黑洞的合并。

加州理工学院教授、LIGO合作组织成员艾伦·韦恩斯坦（Alan Weinstein）在LIGO官网上表示：“这个事件提出的问题要比它给出的答案更多；从发现和物理学的角度，这是一件令人激动的事情。”

这两个参与合并的黑洞同样非常独特。它们的质量很大，因此科学家怀疑其中的一个或者两个全都不是像一般的恒星级黑洞那样是由一颗塌缩的恒星形成的。

根据恒星演化理论，质量达到130倍太阳质量的恒星可以产生质量最高为65倍太阳质量的黑洞。对于质量更大的恒星，比如超过200倍太阳质量，由于物理机制不同，会最终直接塌缩成质量至少为120倍太阳质量的黑洞。这样一来，一颗塌缩的恒星不会产生质量大约在65倍到120倍太阳质量之间的黑洞，这个范围被称作“对不稳定质量间隙”（pair instability mass gap）。

但是在产生引力波信号GW190521的两个黑洞中，有一个处于上述质量范围的边界附近，而其中质量较大的一颗为85倍太阳质量，则是第一颗探测到的位于“对不稳定质量间隙”中的黑洞。克里斯滕森在LIGO官网上表示：“我们看到了一个位于这个质量间隙中的黑洞，这足以令很多天体物理学家挠头，尝试研究这些黑洞是如何形成的。”

在发表在《天体物理学杂志快报》上的论文中，研究人员提出了一种解释，即“分级合并”（hierarchical merger）：在相互接近并发生合并之前，两个黑洞分别是由两个更小的黑洞合并而成。不过，除了这种可能性外，Virgo合作组织成员、意大利帕多瓦大学教授米盖拉·马佩利（Michela Mapelli）指出：“还有可能是来自大质量恒星的塌缩或者其他更加奇异的过程。然而，可能我们不得不修正我们目前关于恒星生命周期最后阶段的理解以及由此得来的对黑洞形成的质量限制。不管怎样，GW190521对黑洞形成的研究都作出了重要贡献。”

尽管GW190521的信号持续时间很短，只有不到0.1秒，限制了科学家对源的天体物理性质的研究，但他们还是从中推测出合并前的两个黑洞旋转速度非常快。法国国家科学研究中心研究员、Virgo合作组织成员蒂托·达尔·坎顿（Tito Dal Canton）认为：“这个信号显示了进动的迹象。”也就是说，当两个黑洞一边旋转一边相互靠近的时候，它们各自的自转轴可能会偏离轨道的轴向，而轴的错位会导致它们的轨道摇摆不定。坎顿表示：“这个效应很微弱，因此我们不能确定它一定存在；但是如果是真的话，那这个效应就会支持这样一种假设，即合并前的黑洞产生并存在于一个不稳定的、拥挤的宇宙环境中，比如致密的恒星星系团或者活跃星系核的吸积盘。”

除了最有可能的双黑洞合并外，也还存在科学家未知的全新机制产生这些引力波的可能性。科学家在论文中简要讨论了宇宙中其他可能产生他们探测到的信号的引力波源。例如，可能是一颗位于我们的星系之中的正在塌缩的恒星产生了这个引力波信号，但是科学家并没有发现超新星爆炸的其他迹象，比如中微子；也可能来自宇宙最早期的暴胀之后产生的宇宙弦；还有一种可能性，即两个黑洞并不是形成于合并或者恒星塌缩，而是来自原初黑洞。不过，这些奇异的可能性没有哪个能和双黑洞合并一样很好地与观测数据吻合。

针对这次发现，Vigro发言人乔瓦尼·洛苏尔多（Giovanni Losurdo）这样说道：“Virgo和LIGO合作进行的观测照亮了黑暗的宇宙，定义了一个新的宇宙图景。而在今天，我们再一次宣布一个史无前例的发现。我们始终在改进我们的探测器以提升它们的性能，从而更加深入地探索宇宙。”

南方周末特约撰稿 鞠强