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科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？


科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？
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编者按：传说在古代天空有9颗太阳 ， 人类酷热难耐 ， 有一位叫后羿的人 ， 他用弓箭射掉了其中的8颗太阳 ， 从此人间四季分明 ， 不冷不热 。 传说当然是假的了 ， 但最近科学家探测到宇宙中两颗黑洞碰撞事件 ， 在这场碰撞中 ， 8颗太阳的质量瞬间化为引力波飘散到宇宙空间 ， 看起来与这则神话故事有巧合地方 ， 非常有趣 。
科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？
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近日 ， LIGO-Virgo引力波探测国际合作组宣布发现了至今最强的黑洞碰撞 ， 由85倍太阳质量和66倍太阳质量的两个黑洞环绕并合成为了一个142倍太阳质量的黑洞 ， 其中质量差约8倍的太阳质量转化为能量巨大的引力波在时空中传播 。 论文一经上线 ， 迅速引起业界高度关注和热议 ， 因其涉及所谓“不可能质量”黑洞的问题 。 但这一黑洞质量“禁区”真的存在吗？这又一定是双黑洞并合吗？中等质量黑洞都存在于哪里？
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划重点
撰文 | 刘辛味（《返朴》高级采访人员）、楼宇庆（清华大学物理系教授）
2020年9月2日 ， LIGO-Virgo引力波天文台合作团队正式发表了一年多来的研究分析结果——他们发现了两个黑洞环绕并合为142倍太阳质量黑洞的引力波事件（GW190521 ， 即2019年5月21日发现的引力波事件 ， 以下其他事件命名模式同此类推） ， 这两个黑洞的质量分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量 。 这是目前该引力波天文台探测到的最大质量黑洞并合事件 ， 被认为首次发现了中等质量黑洞的实体存在 。 更令一些科学家兴奋激动又同时不解的是 ， 新的发现处于所谓黑洞质量范围的“缺口”（或称“断档”、“禁区”） ， 对天体物理过程中这类黑洞的形成理论模型和物理图像再次发出挑战 。
GW190521双黑洞环绕并合的数值模拟演示环绕和并合 ， 释放引力波 。 丨来源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration【相关视频请前往“返朴”公众号查看】
黑洞的形成与种类
自2016年首次公布探测到双黑洞并合产生的引力波事件（GW150914） ， 以及2019年4月公布的M87星系中心的“超大质量黑洞照片”等一系列新发现以来 ， 黑洞与引力波的研究不仅成为天文领域的热点 ， 也引燃了公众科普的狂欢 。 不过 ， 随着被发表的引力波事件信号越来越多 ， 双黑洞并合或者更为少见的双中子星并合等事件似已不足为奇 。 事实上 ， LIGO与Virgo的国际合作团队至今已经正式发表了探测到的15次引力波事件 ， 仅仅发现新的双黑洞并合事件也就不算非常新鲜的事了 ， 而本次公布的142倍太阳质量的黑洞则让一些天文学家感到不可思议 ， 再次引发科学界和大众媒体热议 ， 这又是为何？
核心问题在于142倍太阳质量的黑洞 ， 以及并合前形成它的85倍太阳质量的黑洞 ， 并不在目前某些所谓主流的黑洞形成理论之中 。 也就是说 ， 这个质量范围内的黑洞是如何从宇宙时空中冒出来的 ， 似乎没有像样的天体物理故事 。
黑洞相关理论已经提出超过百年 。 1915年爱因斯坦发表广义相对论后不到一年 ， 德国天体物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）就从广义相对论中推导出了今天称之为球对称黑洞的数学解 ， 一个黑洞的半径为2GM/c2（G是万有引力常数 ， M是黑洞质量 ， c是真空中的光速） 。 有必要补充一点 ， 荷兰物理学家Johannes Droste在史瓦西几个月后独立地得到了黑洞球对称解 ， 其数学推导比史瓦西的更简洁 。 他是著名物理学家洛伦兹（Hendrik A. Lorentz）的学生 。 直到1963年 ， 29岁的新西兰数学物理学家克尔（Roy Patrick Kerr）进一步从广义相对论中推导出轴对称的旋转黑洞解 。 几十年来 ， 天文学家基于不同的模型 ， 采用不同的观测方法在宇宙时空中由远及近推测出众多大大小小的黑洞候选体 ， 为它们分门别类 ， 并探究它们可能的物理起源和形成途径 。


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