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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？( 四 )


PI和PPI的出现与恒星质量有关 。 如果恒星中心氦核质量更大 ， 达到64到135倍太阳质量 ， 就直接出现PI ， 此时塌缩引发的热核反应猛烈 ， 所有物质都灰飞烟灭 ， 整个星体被炸碎 ， 因此也就不能在中心形成黑洞 。 如果氦核质量更大 ， PI引发的引力塌缩所释放的核能量不够高 ， 也就无法逆转中心坍塌 ， 依然导致黑洞的形成 。 由此模型推论就出现了一个在65-133倍太阳质量的黑洞质量缺口 。
应该指出 ， 界定黑洞质量缺口的界限依赖许多因素 ， 不同的超新星爆炸模型、恒星金属丰度、星风、中微子、恒星旋转都会影响这一过程 ， 所以数值并不很确切 ， 这里给出一个大致数量级 。 LIGO-Virgo合作团队的研究人员选择了较为普遍采用的数值 ， 姑且可以认为基于目前大量恒星模型的数值模拟 ， 这一范围质量的黑洞不太可能由一大类常用模型恒星直接坍缩形成 。
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？
本文插图

（正负电子）对不稳定超新星（爆炸）的工作机制
恒星越大 ， 爆炸越强
1.在极为巨大的恒星中 ， 引力的挤压（向内）在某种程度上与来自星体核心光子（气体）的压力（向外）保持平衡
2.在足够高的能量下 ， 光子自发地转化成正负电子 ， 压力降低 。 (星体) 核心收缩 。
3.一个更小、更致密的核心产生了更大的引力 。 这些增加的引力使恒星核心被挤压得更紧密 。 更多的光子转化成了正负电子对 ， 核心持续收缩 ， 全面失控一触即发 。
4.核心变得非常炽热 ， 更加致密 ， 当核心内的氧离子突然聚熔在一起 ， 释放出巨大的能量 。
5.这颗恒星最终爆炸完全粉碎 ， 什么东西都不会留下 ， 也更不会形成黑洞 。 图源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
就验证而言 ， Woosley等人提出的理论结果似乎不与过去看到的某些观测现象相悖 。 2007年天文学家发现了第一颗对不稳定超新星（PI supernova）SN2007bi ， 其核心约100倍太阳质量 ， 爆发后将22倍太阳质量的物质抛向了星际 ， 爆发的规模是普通超新星爆发的数百倍 。 此外 ， 脉动对不稳定超新星（PPI supernova）也有一些可能的潜在候选者 。 （但中心是否有黑洞 ， 观测上可能不容易确定 。 相关内容可参见《史上最高能超新星被发现 ， 是搜寻已久的神秘类型超新星吗？》）所以在中等质量黑洞的低端部分 ， 存在缺失的一环是一大类模型恒星的数值模拟结果 ， 陈述较为清晰 。
观测实验团队倾向用探测结果来直接挑战陈述清晰、放话最狠的理论预言 ，LIGO-Virgo引力波探测合作团队深谙这一点 ， 用这一类模型的数值模拟结果 ， 有的放矢 ， 更能同时引起观测家和理论家的兴趣 ， 使得这一观测结果广为关注 。 研究人员认为本次GW190521引力波事件的三个黑洞中至少有一个黑洞的质量落在这一PI导致的黑洞质量缺口之内 ， 也是首次相对直接探测到中等质量黑洞 ， 这便是很多天文学家惊呼的原因了 。
事实上 ， PI模型并不是唯一解 。 近年来天体物理学家提出了磁化大质量恒星模型 。 暂不考虑恒星旋转的因素 ， 在非常大的质量范围内 ， 大质量恒星内部有电磁波辐射场（即光子气体）、热气体和磁场 ， 可以由各种可能的不同组份比例形成处于静止平衡态的磁化大质量恒星 。 基于这类模型 ， 可以更进一步进行球对称径向扰动稳定性分析 ， 并且涉及的静态平衡和扰动都是在广义相对论框架中进行 。 关键在于 ， 这类恒星内部温度完全可以不用高到产生正负电子对不稳定性 ， 从而不涉及PI或者PPI所触发的热核反应 。 一旦这类磁化大质量恒星逐步演化到广义相对论磁流体扰动失稳时 ， 整个磁化恒星体系就可以直接动力塌缩形成各种质量的黑洞——包括恒星级质量黑洞和中等质量黑洞 ， 并不会存在中等质量黑洞低端的断档 。 同时 ， 这类过程可以在相应的物理参数范围内表现为宇宙时空中的γ射线暴（Gamma-Ray Bursts ， 简称“GRBs”）和快速射电暴（Fast Radio Bursts ， 简称“FRBs”） ， 或者是其他波段的短促而猛烈的高能电磁爆发（Electromagnetic Bursts ， 简称“EMBs”） 。


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