一个不到0.1秒的信号 也许能帮人类厘清黑洞成长历史
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“科学家发现了不可能存在的黑洞！”这几天，相关话题在网上引起了广泛热议。
9月3日，据国外媒体报道，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（Virgo）携手探测到了一个约为142倍太阳质量的中等质量黑洞，这也是科学家首次探测到中等质量黑洞。据悉，该黑洞由两个质量约为85倍太阳质量和65倍太阳质量的黑洞并合而来，其损失的等同8倍太阳质量的能量以引力波的形式在宇宙中扩散开来，引领着我们发现了这一“不可能存在的黑洞”。
“近几年，科学家已不止一次通过引力波探测发现双黑洞系统。此次中等质量黑洞被发现，有助于天文学家破译超大质量黑洞成因，使黑洞研究更具系统性。”中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军在接受科技日报记者采访时表示。
曾有多次发现均未得到进一步证实
1916年，德国科学家卡尔·史瓦西求得广义相对论爱因斯坦场方程的一个精确解，为黑洞的存在奠定了坚实的理论基础——任何物体只要被压缩到某个临界半径，就会坍缩成奇点，极端扭曲周围时空，形成强大引力场，在一定范围内，连光也无法逃脱。
时至今日，科学家已经发现了不少黑洞，根据质量的不同可将其分为三大类：质量为数倍到100倍太阳质量之间的恒星级黑洞，质量为一百万至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞，以及介于二者之间的中等质量黑洞。
学界的一种看法是，超大质量黑洞由质量更小的黑洞逐渐并合演化而成。若这个演化过程是个连续的过程，那么理论上中等质量黑洞就应该是其中的中间状态。
“2012年，曾有天文学家利用位于澳大利亚的射电望远镜观测到了超级炽热气体的爆发，认为该爆发由一颗中等质量黑洞发出；2015年，有天文学家宣称对NGC 2276星系进行观测时发现了一个中等质量黑洞……很遗憾，不少这类发现均未得到进一步证实。”苟利军介绍道，黑洞的探测需要等待合适的时机，比如要在它产生比较明亮的电磁辐射或有较大喷流的时候才能探测到。
“目前人类探测到的黑洞只是宇宙中众多黑洞的冰山一角。理论上，仅在银河系中就有上亿个恒星级黑洞，但直到现在真正得到确认的只有数十个。”苟利军说。
苟利军解释说，黑洞自身不产生电磁波，因而无法直接被探测到。目前探测黑洞只能通过黑洞周围的一些辐射现象，比如距离黑洞较远的气体在靠近黑洞的过程中与黑洞相互摩擦，会产生较强的辐射，我们就可以利用电磁探测方式来间接地探测到黑洞。
破译70多亿年前的引力波信号
引力波又被称为时空的涟漪，是因为时空受引力扰动后，这种扰动会像水波一样向外以光速传播。引力波带来的效果之一就是使两点间的距离有规律地振荡。
“通过精确测量地球上两点间距离的变化，LIGO就能探测到引力波。”苟利军解释道，因为双黑洞系统通常不会产生引力波之外的其他任何信号，所以引力波是目前探测双黑洞系统的唯一利器。
宇宙中的引力波分别可以通过地基的引力波天文台、空间的引力波激光干涉天线、脉冲星计时阵和宇宙微波背景辐射的极化等探测到。精准探测引力波可帮助揭示黑洞、中子星等引力波源的形成演化。
“本次发现中等质量黑洞的LIGO与VIRGO均是地基激光干涉仪引力波探测器。”苟利军说，激光从探测器中间发出后会一分为二，沿着两条几公里长的等长干涉臂，被反射多次后又会重新聚到一起相互干涉，干涉后信号的强弱可以被光子探测器观测到。当来自宇宙深处某一波源的引力波信号跨过时空抵达地球，经过干涉仪时两条干涉臂的臂长会发生微弱但并不相同的变化，导致干涉后的信号强弱会随时间的变化而变化。通过测量这个变化就能够捕捉到引力波信号的波形和大致的方向。
“中等质量黑洞的发现，很大程度上取决于对引力波的追踪破译。引力波辐射分为高频、中频、低频、甚低频和极低频5个不同的波段，波长范围可从数千公里直至宇宙尺度。研究人员需要根据探测结果中破译的少量信息来建立假设。”苟利军说。
在此次研究中，研究人员在2019年5月21日探测到引力波信号GW190521，信号持续时间不到0.1秒。他们通过拟合引力波形，推算出它是70多亿年前两个黑洞并合产生。
苟利军表示，相信在未来，地基引力波天文台会探测到成百上千的双黑洞、双中子星等并合引力波事件，帮助我们对这些天体和系统形成演化有更深刻的理解。
可能是由更小黑洞并合而来
长期以来，中等质量黑洞被科学界视作超大质量黑洞的“种子”，其存在一直缺乏天文观测的确切证据，但又具备重要的理论意义。
2019年11月，我国科研团队发现了一个70倍太阳质量的恒星级黑洞，并提供了一种利用郭守敬望远镜（LAMOST）巡天优势寻找黑洞的新方法。这个恒星级黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们以往对恒星级黑洞形成的认知。
值得注意的是，此次发现的中等质量黑洞也因“质量过重”受到部分科学家怀疑，他们认为其中一个或两个黑洞并非像大多数恒星质量黑洞那样由恒星坍缩形成。
“根据现有理论，坍缩恒星应该不能形成质量约为65倍—120倍太阳质量的黑洞，这个范围被称为‘对不稳定质量空缺’。”苟利军表示。对此，国外研究人员提出了分级并合的可能性，即发生并合的两个黑洞之前均由更小的黑洞并合而成。
根据LIGO团队的研究，中等质量黑洞可能是由质量较小的黑洞并合形成，如果能发现更多正在并合的中等质量黑洞，或许可以解决关于超大质量黑洞的一个谜团，即它们的起源。
大多存在于星系中心的超大质量黑洞，其起源对科学家来说依然迷雾重重。学界已有的理论认为仅含氢、氦两种元素的气体云迅速收缩形成了超大质量黑洞。然而该理论仅能解释部分在早期宇宙中的超大质量黑洞起源，却很难解释目前观测发现的超大质量黑洞数量为何多于预期这一问题。
据了解，尽管天文学家对引力波信号引力波信号GW190521的发现和中等质量黑洞存在的可能性感到兴奋，但天体物理学家也并不排除此次发现有其他可能性来源。
“毋庸置疑的是，就研究意义而言，本次发现至少提供了中等质量黑洞通过并合形成的一个证据。越了解中等质量黑洞，对于探析超大质量黑洞的形成乃至衍生出更多相关学说就越有裨益。当然，这一切都需要更多观测数据来逐步实现。”苟利军表示。
