一次不寻常的黑洞碰撞

2024-07-03 11:52 由大科技杂志社发表于 #社会

自2015年首次探测到引力波以来，迄今我们已经探测到100多次黑洞碰撞产生的引力波。其中，2020年9月2日观测到的那次碰撞尤其显得不同寻常。

在这次编号为GW190521的碰撞事件中，有三点是很特别的：首先，相撞的黑洞超过了理论的预期;其次，两个黑洞以椭圆轨道绕着对方运行，打破了黑洞碰撞前以完美的圆形轨道运行的理论预言;最后，这次黑洞碰撞还伴随着发光。

GW190521的三点不同寻常

为什么GW190521的这三点被认为是不寻常呢?

先来看第一点。这次碰撞的两个黑洞质量分别为66个和85个太阳质量。一般认为，目前通过引力波探测到的黑洞，都属于恒星量级黑洞，这种黑洞是恒星在超新星爆发中直接坍塌而来的。而理论上，恒星量级黑洞不能超过45～65个太阳质量。

为什么会有这个上限呢?这得好好解释一下。

目前发现的最大的恒星，其质量是太阳的200多倍。但是理论上，当质量如此之大的恒星死亡时，由于超新星爆炸的威力过于巨大，以至于任何残核(包括黑洞)都不会留下。

为什么会这样呢?主要是因为大质量恒星与较小质量恒星的超新星爆炸机制有所不同。

较小质量恒星到了晚年，一方面外层物质受引力作用，不断往中心坍缩，另一方面中心由核聚变产生的高能伽马射线靠辐射压(即光照射在恒星外层物质上产生的压力)抵抗着引力。但由于伽马射线不断地逃逸;此外，聚变的材料也在不断耗尽;所以，高能伽马射线不断减少。当辐射压抵抗不住引力时，恒星就坍塌了。这过程中释放出巨大的能量，导致超新星爆发，同时留下一个残核(白矮星、中子星或黑洞)。

大质量恒星到了晚年，其状况与较小质量恒星基本相似，稍有不同的是，其内部的温度和伽马射线能量都比后者高。在这种情况下，高能伽马射线不断转化成正反电子对。这样一来，辐射压减小了，加剧了外层物质的收缩。收缩之后，内部温度进一步提高，这又促使更多的伽马射线转化为正反电子对，外层物质又进一步收缩……如此循环，导致失控，最终点燃了超新星。这类超新星比较小质量恒星的超新星威力更大，会在残核形成之前就把所有恒星物质抛撒一空，什么都不会留下。

所以，GW190521事件中相撞的两个黑洞质量这么大，就显得很奇怪，需要天文学家做出解释。

再来看第二点。理论上，两个恒星量级的黑洞在发生碰撞前，会先绕着两者的质量中心，跳起“双人舞”，然后通过发射引力波，损失能量，彼此不断拉近距离。在这过程中，即使当初它们的轨道不是圆形的，也会通过发射引力波纠正到近乎完美的圆形。

之前和之后的黑洞碰撞，都符合这个理论预言，唯独在GW190521事件中，两个黑洞直到相撞的最后一刻，轨道都保持着椭圆形。这是够奇怪的。

最后一点比较简单。之前和之后的黑洞碰撞，都不伴随着发光，唯独在GW190521事件中，我们探测到了光;而且引力波和光几乎同时到达——借此我们还证实了长期以来的一个猜想：引力波以光速传播。

发生在星系中心附近的“台球游戏”

对于科学家来说，意外意味着惊喜。惊喜之余，就要寻找解释。最近，一个丹麦天文学小组给出了一个一揽子的理论解释。

解开这个谜的关键是，必须假设发生此次碰撞的地点位于某个星系(可能是银河系)的中心附近。

为什么要在那里呢?我们知道，在每个大型星系中心，都有一个超大质量黑洞，其质量动辄是太阳质量的数百万倍。在其周围，通常都会形成一个巨大的、充满稠密气体的吸积盘。在吸积盘中，又存在着大量的恒星和黑洞。这些恒星和黑洞在围绕中心运行的过程中，由于受到吸积盘中其他物质的阻力，速度会慢下来，更趋近中心。这意味着，越趋近中心，天体越密集。

天体密集的第一个结果是，碰撞发生得更频繁了，其中也包括了黑洞之间的碰撞。在GW190521事件中碰撞的两个黑洞，很可能是由之前更小的黑洞碰撞合并，并吸入其他天体得来的。这样，它们的质量能突破恒星量级黑洞的质量上限，也就不奇怪了。

第二个结果是，在这样的区域里，天体就像台球一样弹来弹去。当一对黑洞在玩“双人舞”的时候，第三者很可能擦身而过，其引力的干扰很难让它们绕行的轨道保持圆形。

最后一点，当合并后形成的大黑洞从吸积盘中弹射出去时，会带着附近的物质一起高速运动。这些物质剧烈摩擦，会产生明亮的光。

这样，我们就圆满地解释了GW190521的所有怪异之处。