解释：数十亿年前两个黑洞合并，但现在让科学家感到困惑

LIGO 和 Virgo 探测到合并中释放的引力波信号。两个母黑洞中的一个具有不同寻常的中等质量，这对传统科学知识提出了挑战。什么是普遍理解的，什么解释了这种不寻常的大小？

艺术家的概念说明了合并黑洞的分层方案。 （来源：LIGO/Caltech/MIT/R Hurt [IPAC]）

数十亿年前，两个黑洞之间的碰撞使引力波在宇宙中荡漾。 2019 年，来自这些波的信号是 在引力波天文台探测到 LIGO（美国）和探测器 Virgo（意大利）。

然而，让科学家们兴奋的是其中一个母黑洞的质量，它违背了关于黑洞如何形成的传统知识。

两篇研究论文描述了这一发现和分析。一，在 物理评论快报 ，详细介绍了这一发现，并提出了异常合并可能发生的可能方式。另一张纸，在 天体物理学杂志快报 ，讨论信号的物理特性。

究竟检测到了什么？

这是来自引力波的信号，这是一个相对较新的发现领域。引力波是恒星在超新星中爆炸时形成的看不见的涟漪；当两颗大恒星相互环绕时；当两个黑洞合并时。以光速行进，引力波会挤压和拉伸路径上的任何东西。

引力波是阿尔伯特·爱因斯坦在一个多世纪前在他的广义相对论中提出的。然而，直到 2015 年，LIGO 才真正探测到了第一个引力波。从那时起，随后又多次探测到引力波。

正如 LIGO 合作所描述的那样，在 LIGO 和 Virgo 上检测到的信号类似于大约四次短暂的摆动，持续时间不到十分之一秒。

它从哪里来的？

随后的分析表明，GW190521 很可能是由两个黑洞合并产生的。这个信号很可能代表了两者融合的瞬间。据计算，它来自大约 170 亿光年之外，并且来自宇宙年龄大约一半的时间。

但这些发现引发了进一步的问题。两个合并的黑洞中的一个落在中等质量范围内——这种不匹配的情况无法用关于黑洞如何形成的传统知识来解释。

为什么不寻常？

迄今为止观测到的所有黑洞都属于两类之一。一类介于几个太阳质量（一个太阳质量是我们太阳的质量）和几十个太阳质量之间。这些被认为是在大质量恒星死亡时形成的。

另一类是超大质量黑洞。这些范围从数十万到数十亿倍于我们的太阳。

根据传统知识，能够产生 65 到 120 个太阳质量之间的黑洞的恒星不会这样做——这个范围内的恒星在死亡时会自爆，而不会坍缩成黑洞。

但是在导致 GW190521 信号的合并中，更大的黑洞有 85 个太阳质量——正好在这个出乎意料的范围内，被称为对不稳定质量差距。这是有史以来第一个观察到的中等质量黑洞。 （事实上​​，较小的黑洞也处于临界状态，质量为 66 个太阳质量。）

两者合并形成了一个约 142 个太阳质量的新黑洞。相当于 8 个太阳质量的能量以引力波的形式释放，导致科学家迄今为止探测到的最强引力波。

质量异常的黑洞是如何形成的？

研究人员认为，85 太阳质量的黑洞不是恒星坍缩的产物，而是先前合并的结果。由两个黑洞碰撞形成，新的黑洞很可能随后与 66 个太阳质量的黑洞合并——导致引力波和 LIGO 和室女座接收到的信号。

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