引力波揭示了观测到的最轻的黑洞

引力波探测器发现了一场宇宙碰撞，在这场碰撞中，一个巨大的黑洞吞噬了一个看似太重而不是中子星，但又太轻而不是黑洞的神秘物体。该天体的质量是太阳的2.6倍，落入了一些理论预测的最重的中子星和最轻的黑洞之间的一个假想的“质量缺口”，这表明这个缺口并不存在，这些理论需要修正。

“当然，那些认为存在质量鸿沟的人将不得不重新考虑，”没有参与观测的马里兰大学帕克分校的天体物理学家科尔·米勒(Cole Miller)说。然而，他补充说，“人们不会加入邪教，因为他们无法在世界观的这种变化中生存下来。”

这些数据来自激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的物理学家，这是路易斯安那州和华盛顿州的一对探测器，以及意大利的处女座(Virgo)类似的探测器。这三种仪器都由巨大的、灵敏的光学仪器组成，它们可以探测到当两个大质量物体(如黑洞)相互旋转时，空间本身短暂的伸展。自从LIGO在2015年首次探测到这种引力波以来，物理学家已经发现了数十次合并。LIGO-Virgo联合合作昨天宣布，2019年8月14日，LIGO和处女座探测器发现了质量分别是太阳23倍和2.6倍的物体的合并。

西北大学的天体物理学家和LIGO团队成员Vicky Kalogera说，这个2.6太阳质量的天体令人惊讶，因为它正好落在质量间隙中。“现在，我们第一次看到这样的物体，”她说。她说，由于只感知碰撞产生的引力波，LIGO和处女座不能确切地分辨出这个物体是什么。但是，米勒说，核物理表明，一颗重于大约2.2个太阳质量的中子星不能支撑自己的重量，所以这个天体“几乎可以肯定”是一个黑洞。

然而，亚利桑那大学的天体物理学家费尔亚尔·厄泽尔解释说，要在这种光线下形成黑洞并不容易。在LIGO和室女座出现之前，关于黑洞的唯一观测证据来自于对我们银河系中大约30个黑洞的研究，每个黑洞都绕着一颗伴星运行，向其输送热物质。厄泽尔和他的同事在2010年注意到，这些黑洞的质量都没有小于5个太阳质量。因此，他们假设了一个大约2.5到5个太阳质量之间的质量间隙，在这个间隙中应该既不存在中子星，也不存在黑洞。但厄泽尔强调，这一观点是建立在观察的基础上的。“黑洞不能在低于5太阳质量的地方形成，这是不是有根本的物理原因？”我们当然不这么认为，“她说。“但是，在大质量恒星演化的浪潮中，一定有什么东西让它变得非常困难。”

随后，理论家们解释了为什么会这样。当一颗大质量恒星耗尽氢燃料，其核心开始坍塌时，中子星或黑洞都可能形成。如果恒星足够轻，核心将在超新星爆炸中坍塌为中子星，吹走恒星的其余部分。然而，如果这颗恒星太大，它的核心将收缩到一个无穷小的点，只剩下它的超强引力场：一个黑洞。理论表明，对于这些重恒星，除了最外层以外的所有层都会坠落，将黑洞的质量提高到5个太阳质量或更多。

新的观察结果可能会削弱这一理论-米勒说，这一理论已经遭到了一些质疑。“做真实模型的超新星理论家基本上会说，‘看，向我们证明确实存在质量鸿沟，我们会努力解决的。’”他说。奥泽尔是质量差距的最初支持者之一，他似乎对这一发现并未感到不安。“这非常令人兴奋，”她说。更重要的是，LIGO和处女座已经证明了以不同的方式形成低质量黑洞是可能的。2017年8月，他们发现了两颗中子星的合并，据推测，这产生了一个2.7太阳质量的黑洞。

哥伦比亚大学的理论天体物理学家布莱恩·梅茨格(Brian Metzger)没有参与这项工作，他说，真正的谜团可能是新观测中黑洞质量的极端不匹配。就在几周前，LIGO和处女座宣布了一个事件，其中一个黑洞的重量比另一个大四比一。在新的活动中，比例是9比1。“有趣的是极端的质量比，这很难通过人们关注的大多数(型号)来生产，”梅茨格说。

没有人知道一开始就有几对黑洞形成了多么紧密的轨道。梅茨格说，大多数理论家主要关注两种情况：一种是围绕轨道运行的恒星对，它们都塌陷形成黑洞；另一种是单个黑洞，它们在被称为球状星团的微小的古老星系中嘎嘎作响，不知何故设法配对。这两种情况都倾向于使黑洞具有相似质量的对子。因此，梅茨格说，理论家们可能不得不为不平衡的黑洞对设想新的孵化室，或许可以从大型星系的致密中心开始。