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突入 “禁区” 的黑洞
- 卢昌海 -
2019 年 5 月 21 日协调世界时凌晨 3 时 2 分 29 秒， 位于美国的两个 LIGO 引力波观测台和位于欧洲的 Virgo
引力波观测台几乎同时记录下了一组持续时间约 1/10 秒的信号——依发现日期被标记为 GW190521。 经过一年多的分析，
2020 年 9 月 2 日， 这组信号被 (以较高的可信度) 确认为是来自一对黑洞双星合并产生的引力波。
虽然这已是引力波天文学诞生后的第六个年头， 且之前已有过多组同类发现，
但此次的信号仍有引人注目的独特性。
这独特性来自不止一个方面。 首先是： 信号源远在 170 亿光年之外， 创下了迄今为止的最远记录。
有读者也许会问： 宇宙的年龄才不过 138 亿年左右， 170 亿光年之外的信号如何能传播到我们这里？
答案是： 宇宙膨胀使信号传播过的每一段距离都 “放大” 了，
就像一个膨胀气球上的每一对点都会因气球膨胀而相互远离。 170 亿光年就是这种 “放大”
了的距离， 信号实际 “只需” 约 70 亿年的时间就能传播到我们这里。 换句话说，
作为信号源的黑洞双星合并发生在约 70 亿年前——在地球乃至太阳系都还远远不存在的远古。
独特性的另一个——并且更重要的——方面则是： 参与合并的两个黑洞的质量分别约为太阳质量的 85 倍和 66 倍，
都比之前同类发现中的黑洞质量更大[注一]。
仅仅更大倒还罢了， 此次的 “更大” 却突入了黑洞质量的一个 “禁区”， 故而引人注目。
黑洞质量为何会有 “禁区” 呢？ 这得从恒星演化理论说起。 科学家们很早就预期， 大质量恒星在耗尽
“核燃料” 之后， 会在引力作用下坍塌为黑洞 (在那之前则会发生被称为 “超新星” 的巨大爆炸)。
初看起来， 恒星越大， 作为 “尸体” 的黑洞质量也就越大， 除受制于恒星质量的可能上限外，
不该有什么 “禁区”。 但细致的研究表明， 事情并不那么简单。 具体地说，
恒星演化理论预期的大质量恒星的 “尸体” 分布大致是这样的： 质量在太阳质量 130
倍以下的大质量恒星的 “尸体” 是质量不超过太阳质量 65 倍的黑洞； 质量在太阳质量 130 到 250
倍的大质量恒星则比较微妙， 它们演化到一定阶段时， 核心区的光子会因能量太高而产生正负电子对。
不幸的是， 正负电子对不能像光子那样有效地抵御引力， 因此恒星会因这种所谓的 “对不稳定性”
(pair instability) 而坍塌， 坍塌造成的核心区剧烈升温则会使核反应失控，
将恒星炸得 “尸骨无存”； 这种不幸的 “自毁” 局面直到恒星质量大于太阳质量的 250 倍才能避免，
那时的引力会强大到使恒星无法 “自毁”， 而直接坍塌成黑洞， 那样的黑洞质量在太阳质量的 120 倍以上。
因此， 恒星演化理论预期的黑洞质量要么小于太阳质量的 65 倍， 要么大于太阳质量的 120 倍，
在太阳质量的 65 到 120 倍之间有一个空隙 (gap)[注二]。
这空隙就是我们所说的 “禁区”。
明白了这一点， 也就明白了此次发现的黑洞双星合并为什么引人注目了，
因为两个黑洞——尤其是较大的那个——的质量突入了 “禁区”。 也因此，
虽然黑洞双星合并已不再是新闻热点， 此次发现仍引起了媒体的某些兴趣。
2019 年 8 月 28 日， 比消息的正式发布早了几乎整整一年， 就有一份名为 “量子”
的杂志 (Quanta Magazine) 挖到了 “小道消息”， 且取了个很吸引眼球的标题：
“大到 ‘不该存在’ 的黑洞” (A Black Hole So Big It ‘Should Not Exist’)。
媒体对此次发现感兴趣的另一个原因， 是科学家们曾就这种突入 “禁区” 的黑洞打过赌。
2017 年 2 月， 四位天体物理学家就 LIGO 和 Virgo 的前 100 次发现中是否会出现突入 “禁区”
的黑洞打了赌， 两人认为会， 两人认为不会。 后来两边各有一位新人加盟， 成为了三对三的赌局。
赌注则原本只是一瓶价值 100 美元的葡萄酒， 后加码为每位输家给每位赢家一瓶价值 100
美元的葡萄酒——即总金额 900 美元， 在科学家的赌局中算是 “大格局” 了。
如今， 消息既已正式发布， 赌局也就输赢已定。 但真正吸引科学家的自然不是赌局， 而是为什么会有黑洞突入
“禁区”？ 对此， 主要有两种可能的解释[注三]。
解释之一， 是认为 “禁区” 有可能并不在太阳质量的 65 到 120 倍之间。 这之所以有可能，
是因为对 “禁区” 范围的估计并不容易， 取决于很多无法确知的细节， 不同的研究者也得出过不同的结果
(比如上面提到的赌局就用了稍稍不同的 “禁区” 范围[注四])。
事实上， 恒星演化理论对黑洞质量的预期在某些细节上是不太可靠的， 比如在引力波天文学诞生之前，
很多人以为恒星演化产生的黑洞质量不会超过太阳质量的 25 倍，
但引力波天文学的首次发现就修正了这一点[注五]。
历史是否会重演呢？ 如果 “禁区” 范围的下界被修正到太阳质量的 85 倍以上，
则此次发现的两个黑洞就并未突入 “禁区”， 问题也就不复存在了。 考虑到恒星演化的高度复杂性，
这当然不是没有可能的。
另一种可能的解释， 是认为参与此次合并的两个黑洞都是所谓的 “第二代” (2nd generation，
简称 2g) 黑洞， 即本身就是黑洞合并的产物。 由于 “禁区” 只适用于大质量恒星演化的直接产物，
而不能限制黑洞合并产物的质量。 因此突入 “禁区” 的黑洞若是黑洞合并的产物，
问题也就同样不复存在了。
两种解释孰优孰劣呢？ 从目前的数据来看， 是第二种解释偏优。
支持的理由主要有两条： 首先， 黑洞合并产物有一个鲜明特征， 那就是角动量特别大， 且全都在理论最大值的
70% 左右。 参与此次合并的两个黑洞正是如此， 其角动量分别约为理论最大值的 69% 和 73%，
显示它们很可能是黑洞合并的产物[注六]。
其次， 若参与此次合并的两个黑洞都是大质量恒星演化的直接产物， 则它们最有可能来自一个大质量双星系统，
这种双星系统的演化产物也有一个特征， 那就是两个黑洞的角动量会跟绕转平面接近垂直，
但参与此次合并的两个黑洞却并非如此， 显示它们很可能并非大质量恒星演化的直接产物。
不过， 虽有两条支持理由， 这一解释却也有一个需要解决的问题， 那就是： 既然两个黑洞都是所谓 “第二代”
黑洞， 则此次合并必须以另两次合并为先导。 这种 “连环合并” 无疑会降低整个过程的发生概率，
而概率若降得太低， 可信度就会打折扣。 这个问题的一条可能的出路是： 假定整个过程发生在一个比较
“脏乱” 的环境里——比如发生在一个活动星系核的吸积盘上。 那里存在着包括很多黑洞在内的大量物质， 足以大大增加
“连环合并” 的概率。 而且， 吸积盘上的物质还会对黑洞双星的绕转产生阻力， 使之更快地合并。
当然， 这条出路只是猜测。 不过幸运的是， 有一个可能的旁证支持这种猜测： 在探测到引力波信号的 34 天之后，
天文学家们在同一天区探测到了电磁辐射意义上的 “耀发” (flare)， 对该 “耀发” 的分析显示，
它有可能源自此次的黑洞双星合并。 具体地说， 该 “耀发” 的一种可能的图景是： 黑洞双星合并发生在活动星系核的吸积盘上，
合并产生的引力激波使吸积盘物质急剧升温， 并产生强烈的电磁辐射， 吸积盘物质对电磁辐射的散射则造成了滞后 34
天的效应。 这种图景虽是高度假设性的， 但跟黑洞双星合并发生在活动星系核的吸积盘上有较好的匹配，
甚至连黑洞双星的总质量都能大致推出。 若这一图景成立， 则它不仅对前述解释构成了额外支持，
而且还是首次发现黑洞双星合并的电磁效应， 首次将所谓 “多信使” (multi-messenger) 观测
(即同时包含引力和电磁效应的观测) 延伸到黑洞双星合并上[注七]。
除这些 “首次”， 及突入 “禁区” 外， 此次黑洞双星合并还有一个分类意义上的独特性，
那就是合并产物是一个质量约为太阳质量 142 倍的黑洞 (细心的读者可能注意到了，
合并产物的质量跟参与合并的两个黑洞的总质量相比， 缺了好几个 “太阳”，
这些缺失的质量都以引力波的形式辐射出去了)， 那样的黑洞隶属于一个之前基本空白的类别。
科学家们对黑洞有一个粗略的分类： 质量小于太阳质量 100 倍的被称为恒星级黑洞；
质量在太阳质量几十万倍以上——通常位于星系中心——的被称为超大质量黑洞 (Supermassive Black Holes， 简称 SMBH)；
介于两者之间的则被称为 “中等质量” 黑洞 (“Intermediate-Mass” Black Hole， 简称 IMBH)。 在这种分类下，
此次黑洞双星的合并产物被认为是首个存在较直接证据的 “中等质量” 黑洞。
一次黑洞双星合并的发现带来了那么多新东西， 引力波天文学真是一个迷人的领域。
2020 年 9 月 25 日完稿
2020 年 10 月 5 日发布
https://www.changhai.org/
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