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
本文插图
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 。
【黑洞引力波观测到迄今最轻黑洞】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


    推荐阅读