引力波探测的新发现

亚利桑那大学的天体物理学家费力娅·奥佐

是中子星还是黑洞？这是个问题。

随着位于美国的两个LIGO引力波探测装置和一个位于意大利的Virgo引力波探测装置灵敏度的不断提高，人类探测到了越来越多的时空波动现象，也由此知晓了在宇宙中发生的各式各样的新奇事件。

天文学家们通过检查引力波探测装置收集到的信号，便可以大致推断出在宇宙的哪个方位发生了怎样的事件。引力波信号其实是一种时空的轻微波动，这种信号虽然微弱，但是它所代表的大多是宇宙中发生的一些遥远且剧烈的事件——例如两个黑洞或是双子星的合并，或是一个黑洞吞并一颗中子星。人类只能从事件的余波中分析整个事件的经过。

天文学家们近期在检查引力波探测装置收集到的信号时发现，仪器在2019年8月14日记录了在8亿光年之外的两个天体的合并。这次事件被标记为“GW190814”。虽然人类此前已经通过引力波信号发现了数十起天体合并事件，但“GW190814”事件仍然吸引了众多天文学家的兴趣。

2020年6月23日，对“GW190814”引力波信号进行分析的天文学家们在《天体物理杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）发表了论文《GW190814：来自一个23倍太阳质量的黑洞与一个2.6倍太阳质量的致密天体合并产生的引力波》（GW190814：Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object）。这次合并，最终形成了一个质量大约为25个太阳质量的黑洞（在合并过程中，一部分质量转化为引力波消散在了时空中）。这也是人类通过引力波观测到的质量相差最大的两个天体的合并事件。

首先，这次合并事件中的两个天体的质量非常不平衡。其中一个天体的质量大约相当于太阳质量的23倍，而另一个天体的质量则只相当于太阳质量的2.6倍。根据人类此前的探测经验，在相互围绕运转的双天体系统中，两个天体的质量大多相近。之前人类观测到过两个质量相差将近4倍的天体的合并，就让天文学家们兴奋不已，而这次发生合并的两个天体，质量相差了接近9倍。

除了质量上的巨大差异之外，其中一个天体的身份也让人着迷。两者之中较重的一个相当于太阳质量的23倍，应该确定无疑是一个黑洞；而另一个质量相当于太阳质量2.6倍的天体的身份则一时难以判定。它作为一颗中子星显得太重，而作为一个黑洞则又太轻——天文学家们原以为在宇宙中并不存在这种质量的天体。

根据天文学理论，一个中子星的质量如果超过了太阳质量的2.2倍，就无法支撑其自身。如此说来这个质量为太阳2.6倍的天体几乎可以确定是一个黑洞，但是从另一个角度来说，人类还从来没有发现过质量如此小的黑洞，这也让人心生疑虑。

正是因为人类此前从未观测到过质量低于5个太阳质量的黑洞，亚利桑那大学的天体物理学家费力娅·奥佐（Feryal ?zel）曾认为宇宙中的天体在2.5个太阳质量和5个太阳质量之间存在着一个“空隙”。在这个质量范围之内，既没有中子星存在，也不会有黑洞存在——虽然并没有物理学定律规定不能存在5个太阳质量以下的黑洞。2010年，她以此为题在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）发表了一篇论文《星系中黑洞质量的分布》（The Black Hole Mass Distribution in the Galaxy）。

理论学家们也认为，无论是中子星还是黑洞，在质量上存在一个“空隙”有其理论上的原因。中子星和黑洞的形成都是源于恒星燃尽了自身的氢燃料，开始从内部坍塌。如果恒星原来的质量较轻，那么它将通过一场超新星爆炸摆脱多余的材料，成为一颗中子星；如果恒星质量很大，则会通过自身的引力塌缩成为一个黑洞。因此，对于那些质量巨大的恒星，它们外层的物质也都成为了黑洞的一部分，形成黑洞的质量也就往往高于5个太阳质量。

但是这样的理论并非绝对。奥佐认为，在这个质量空隙中，质量相对较小的黑洞可能通过其他方式产生。比如在2017年8月，人类观测到了两个中子星的合并，那次合并的结果可能就是产生了一个质量为太阳质量2.7倍的黑洞。

与之前探测到的中子星合并事件不同，这次两个天体的合并现象并没有相应的电磁波信号传播到地球——科学家们分析可能是因为这次事件与地球之间8亿光年的遥远距离阻碍了电磁波的传播，或者如果进行合并的两个天体都是黑洞，也不会有电磁信号出现。还有一种可能是，如果质量小的一方是一颗中子星，因为黑洞的质量占有巨大优势，便可以一下子把中子星完全吞没，在这种情况下也不会有电磁波信号产生。

天文学家们开始修正理论。人们此前认为的宇宙中中子星和黑洞质量之间的“空隙”可能并不存在。之前人们认为存在的质量空隙，可能只是因为当时的观测能力有限。随着探测仪器变得越来越敏锐，在未来会越来越频繁地探测到类似质量不平衡的天体之间的合并事件。而这种双天体系统内部两者之间质量的巨大差异，也需要天文学家们建立新的模型对其进行解释。

人们相信，“GW190814”事件只是一个开始，引力波探测会有越来越多的新发现。而想要判断这次合并的小质量天体究竟是一个中子星还是一个黑洞，只能寄希望于在未来观测到更多类似的宇宙学现象，为人们提供线索了。

（本文写作参考了《科学》《物理世界》《天体物理杂志快报》的相关报道） 科学物理天文引力波太阳系中子星太阳质量宇宙最大黑洞