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黑洞|引力波观测到迄今最轻黑洞


来源：中国科学报

黑洞|引力波观测到迄今最轻黑洞
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【黑洞|引力波观测到迄今最轻黑洞】

空间涟漪揭示了黑洞和神秘天体的合并 。
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


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