小于0.1秒的信号可能有助于人类澄清黑洞成长的历史

“科学家发现了不可能存在的黑洞！”这几天相关话题在网上引起了广泛的讨论。

9月3日，据外媒报道，美国的LIGO(激光干涉引力波天文台)和意大利的处女座引力波天文台(Virgo)联合探测到一个质量约为太阳质量142倍的中等质量黑洞，这是科学家首次探测到中等质量黑洞。据报道，黑洞是两个质量约为太阳85倍和太阳65倍的黑洞的组合。等于太阳质量8倍的损失能量以引力波的形式在宇宙中传播，导致我们发现了这个“不可能的黑洞”。

“近年来，科学家们已经不止一次通过引力波探测发现了双黑洞系统。这个中等质量黑洞的发现，将有助于天文学家破译超大质量黑洞的成因，使黑洞研究更加系统化。”中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军在接受采访时表示。

有许多发现尚未得到进一步证实

1916年，德国科学家卡尔史瓦西获得了爱因斯坦广义相对论场方程的精确解，为黑洞的存在奠定了坚实的理论基础。——任何物体只要被压缩到一定的临界半径，就会坍缩成奇点，极大地扭曲周围的时空，形成强大的引力场。在一定范围内，连光都无法逃脱。

到目前为止，科学家们已经发现了许多黑洞，根据质量的不同可以分为三类：质量是太阳质量的几倍到100倍的恒星黑洞，质量是太阳质量的一百万到几十亿倍的超大质量黑洞，以及介于两者之间的中等质量黑洞。

学术界有一种观点认为超大质量黑洞是由更小的黑洞演化而来的。如果演化过程是一个连续的过程，那么理论上中等质量黑洞应该是中间态。

“2012年，天文学家利用澳大利亚的射电望远镜观测到了超热气体的爆炸，被认为是中等质量黑洞发出的；2015年，一些天文学家声称在观察NGC 2276星系时发现了一个中等质量的黑洞.不幸的是，许多这样的发现没有得到进一步证实。”勾立军说，黑洞探测需要等待合适的时机，比如产生明亮的电磁辐射或者有大喷流的时候才能探测到。

“目前，人类探测到的黑洞只是宇宙中许多黑洞的冰山一角。理论上，仅银河系就有数亿个恒星黑洞，但到目前为止只有几十个被证实。”苟丽君说。

苟利军解释说，黑洞本身不产生电磁波，所以不能直接探测到。目前只能通过黑洞周围的一些辐射现象来探测黑洞。比如远离黑洞的气体在接近黑洞的过程中摩擦黑洞，会产生很强的辐射，所以我们可以通过电磁探测来间接探测黑洞。

解码70多亿年前的引力波信号

引力波也叫时空涟漪，因为时空受到重力扰动时，扰动会像水波一样以光速向外扩散。引力波的作用之一是使两点之间的距离有规律地振荡。

" LIGO可以通过精确测量地球上两点之间距离的变化来探测引力波。"苟利军解释说，由于双黑洞系统通常不产生引力波以外的任何信号，引力波是目前探测双黑洞系统的唯一利器。

宇宙中的引力波可以通过地基引力波观测台、空间引力波激光干涉天线、脉冲星计时阵列和宇宙微波背景辐射的极化来探测。对引力波的精确探测有助于揭示黑洞、中子星等引力波源的形成和演化。

这次发现中等质量黑洞的LIGO和处女座是地基激光干涉仪引力波探测器勾立军说，激光束从探测器中间发出后会分裂成两部分。沿两个等长干涉臂反射几次后，会再次聚在一起相互干涉。干涉后，光子探测器可以观察到信号强度。当来自宇宙深处某一波源的引力波信号跨越时空到达地球时，两个干涉臂的臂长在通过干涉仪时会发生微弱但不相同的变化，导致干涉后的信号强度会随时间变化。通过测量这种变化，可以捕捉到引力波信号的波形和大致方向。

“中等质量黑洞的发现很大程度上取决于对引力波的跟踪和破译。引力波辐射可以分为高频、中频、低频、极低频和极低频五个不同的波段，波长范围可以从几千公里到宇宙尺度。研究人员需要根据检测结果中解密的少量信息建立假设。”苟丽君说。

在这项研究中，研究人员在2019年5月21日检测到引力波信号GW190521，持续时间不到0.1秒。通过拟合重力波形，他们计算出它是70多亿年前两个黑洞合并产生的。

苟利军表示相信，未来地基引力波观测站将探测到双黑洞、双中子星等数百个组合引力波事件，这将有助于我们更深入地了解这些天体和系统的形成和演化。

它可能是较小黑洞的组合

长期以来，中等质量黑洞一直被科学界视为超大质量黑洞的“种子”。它的存在一直缺乏天文观测的确切证据，但具有重要的理论意义。

2019年11月，中国科研团队发现了一个质量是太阳70倍的恒星黑洞，并利用郭守敬望远镜的优势提供了一种寻找黑洞的新方法。这个恒星黑洞远远超过了理论预测的质量上限，颠覆了以前对恒星黑洞形成的认知。

值得注意的是，这次发现的中等质量黑洞也因其“超重”而受到一些科学家的怀疑。他们认为一两个黑洞不是像大多数恒星质量的黑洞一样由恒星坍缩形成的。

“根据现有理论，坍缩的恒星不应该形成质量约为太阳65倍至120倍的黑洞。这个范围被称为‘质量不稳定的空缺’。”苟丽君说。为此，国外研究者提出了分层合并的可能性，即在合并之前，通过合并较小的黑洞形成两个黑洞。

根据LIGO团队的研究，中等质量的黑洞可能是由较小的黑洞合并而成的。如果我们能发现更多正在融合的中等质量黑洞，我们可能会解开一个关于超大质量黑洞的谜团，那就是它们的起源。

大多数超大质量黑洞都存在于星系中心，对于科学家来说，它们的起源仍然是模糊的。学术界现有的理论认为，只含氢和氦的气体云迅速收缩形成超大质量黑洞。但是这个理论只能解释早期宇宙中一些超大质量黑洞的起源，却很难解释为什么观测到的超大质量黑洞比预期的多。

据了解，虽然天文学家对引力波信号GW190521的发现和中等质量黑洞存在的可能性感到兴奋，但天体物理学家不排除这一发现的其他可能来源。

“毫无疑问，就研究意义而言，这一发现至少提供了一个通过合并形成中等质量黑洞的证据。我们对中等质量黑洞的了解越多，对探索超大质量黑洞的形成，甚至推导出更多的相关理论就越有利。当然，这一切都需要更多的观测数据来逐步实现。”苟丽君说。