黑洞,是宇宙中最神秘的天体。天体物理学家Avi Leob曾形象的描述到:“黑洞是终极的监狱:一旦进入,就永远无法出去。”正如夜空中的繁星有着不同大小、颜色和温度,黑洞也可以根据它们的大小和质量分为四类:恒星级黑洞和超大质量黑洞,但中等质量黑洞和原初黑洞仍然停留在理论阶段。但在一项最新的研究中,科学家终于发现了追寻已久的中等质量黑洞。
2015年9月14日,激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到了由双黑洞并合产生的引力波!这一发现不仅验证了爱因斯坦百年前的预言,也打开了探索宇宙的全新窗口。自那之后,天文学家确认已捕捉到的黑洞并合事件已达10次之多,这些不同的事件在清晰地向我们展示了,不同的黑洞可以拥有各不相同的自旋,并且它们的质量范围也跨度巨大。
现在,LIGO合作组和室女座引力波探测器(VIRGO)合作组探测到了迄今为止最大的黑洞并合:一个质量为66倍太阳质量的黑洞,与一个质量为85倍太阳质量的黑洞并合形成了一个质量为142倍太阳质量的黑洞。这次事件有两个特殊之处能使之成为黑洞探测史上浓墨重彩的一笔。
首先,按照黑洞的常规形成机制来看,并合前较大的那颗黑洞(85倍太阳质量)应该无法形成才对;其次,一直以来,质量范围在100倍太阳质量到数万倍太阳质量之间的中等质量黑洞只存在于理论中,而这次探测到的142倍太阳质量的黑洞,是首次直接观测到的中等质量黑洞。根据爱因斯坦的广义相对论的核心方程的预测,黑洞可以有任何质量。
在宇宙中,大质量恒星的坍缩是形成黑洞的一个关键途径,但这种过程也会对黑洞的质量产生一些限制。当一个质量非常大的恒星耗尽燃料时,其核心便会开始在引力的作用下坍缩,形成一个恒星级的黑洞。传统的理论认为,恒星坍缩时是不会产生质量在65到135个太阳质量之间的黑洞的,这个质量“禁区”被称为对不稳定性质量间隙。
然而,在2019年5月21日,LIGO和VIRGO探测到的引力波事件却带来了两项突破性的发现:不仅在对不稳定性间隙发现了黑洞,还证明了中等质量黑洞的存在。这两个发现对理解黑洞的形成有着重要的意义。未来,LIGO和VIRGO还将继续探测到越来越多的黑洞并合事件,其中也或将包含更多这类较重的并合事件。能够获取更多有关于中等质量黑洞的数据对黑洞研究意义重大。
特别是,天文学家或许可以借此更好地理解超大质量黑洞的形成与演化。尽管天文学家已经拍摄到星系M87中央的超大质量黑洞,也对银河系中心的超大质量黑洞进行了详尽的研究,但超大质量黑洞的形成机制依旧是个谜题。然而,有理论认为,超大质量黑洞或许是由中等质量黑洞组成的。随着越来越多的黑洞被发现,天文学家也越来越接近一些谜题的真相。