数值模拟两个黑洞的吸入和合并，发射引力波。Credit: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, and the SXS Collaboration包括美国西北大学天文学家在内的国际研究合作已经见证了一个“中等质量”黑洞的诞生。这是第一次对中等质量黑洞的确凿发现，长期以来，天文学家们一直未能发现这个黑洞。这一宇宙事件，其能量在地球上以引力波的形式探测到，是迄今为止在引力波中观测到的最大规模的黑洞合并。
两个黑洞很可能发生碰撞并合并，形成一个质量更大的黑洞，其最终质量是太阳的142倍，或142个太阳质量。这最后一个黑洞是在介于恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间的中等质量范围内第一个被发现的黑洞。
另一个第一次是两个合并的黑洞中较重的那个，其质量为85个太阳，是迄今为止在所谓的“成对不稳定质量间隙”中探测到的第一个黑洞。
长期以来，我们一直在寻找一个中等质量的黑洞来填补恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间的差距。现在，我们有证据证明中等质量的黑洞确实存在。“克里斯托弗·贝瑞，6031，天体物理学家
2019年5月21日，研究人员利用美国国家科学基金会的LIGO(激光干涉引力波观测台)和意大利的Virgo(处女)探测到了引力波信号。LIGO是一对相同的、4公里长的干涉仪，Virgo是一个3公里长的探测器。该信号被命名为GW190521。
由LIGO科学合作组织(LSC)和室女座合作组织组成的科学家团队在9月2日发表的两篇论文中报告了他们的发现。一篇发表在《物理评论快报》上，详细介绍了引力波信号的发现;另一篇发表在《天体物理学杂志快报》上，讨论了引力波信号的物理性质和天体物理学意义。
Christopher Berry，西北大学的CIERA(跨学科探索和天体物理学研究中心)的CIERA访客委员会研究教授，是LSC编辑委员会的《发现》论文的审稿人。同样是LSC成员、西北大学天文学博士生的蔡斯·金伯尔(Chase Kimball)在论文中对GW190521的天体物理起源进行了分析。金博尔的顾问是贝瑞和维姬·卡洛杰拉，他们是西北大学LSC小组的首席研究员，CIERA主任，以及温伯格文理学院的丹尼尔·i·林泽杰出大学物理学和天文学教授。
克里斯托弗·贝瑞
“天体物理学中最大的谜团之一是超大质量黑洞是如何形成的?””贝瑞说。“他们就像房间里上百万个太阳质量的大象。它们是由恒星质量的黑洞(恒星坍缩时产生)产生的，还是通过一种未被发现的方式产生的?长期以来，我们一直在寻找一个中等质量的黑洞来填补恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间的差距。现在，我们有证据证明中等质量的黑洞确实存在。”
GW190521的信号类似于四次短暂的摆动，持续时间极短，不到十分之一秒。据研究人员所知，它是由一个距离地球约50亿秒的源产生的，当时宇宙的年龄大约是现在的一半，这意味着信号在到达地球之前在太空中传播了70亿年。GW190521的引力波源是迄今为止探测到的距离最远的引力波源。
法国国家科学研究中心的研究员，室女座成员尼尔森·克里斯滕森说:“这看起来不太像啾啾声。”他将这一信号与LIGO在2015年首次探测到的引力波进行了比较。“这更像是‘砰’的一声，这是LIGO和室女座观测到的最大的信号。”
Vicky Kalogera
到目前为止，几乎所有确认的引力波信号都来自于两个黑洞或两颗中子星的双星合并。这次最新的合并似乎是迄今为止最大规模的，包括两个质量分别为85和66个太阳质量的黑洞。
“引力波观测是革命性的，”贝里说。“每一个新的发现都完善了我们对黑洞形成的理解。有了这些引力波的突破，用不了多久，我们就会有足够的数据来揭开黑洞是如何诞生和成长的秘密。”
LIGO-Virgo团队还测量了每个黑洞的自旋，发现当这些黑洞越来越靠近的时候，它们可能绕着自己的轴线旋转，其角度与它们的轨道轴线不一致。当两个歌利亚螺旋形地向对方靠近时，黑洞不对称的自旋很可能导致它们的轨道摆动，或称“进动”。
新的信号可能代表了两个黑洞合并的瞬间。这次合并创造了一个质量更大的黑洞，大约有142个太阳质量，并释放出相当于8个太阳质量的巨大能量，以引力波的形式扩散到整个宇宙。
美国国家科学基金会(National Science Foundation)引力物理项目主管佩德罗•马罗内蒂(Pedro Marronetti)表示:“LIGO再次让我们惊讶，它不仅探测到了难以解释大小的黑洞，而且还使用了并非专门为恒星合并而设计的技术。”“这是非常重要的，因为它展示了仪器的能力，检测信号来自完全不可预见的天体物理事件。LIGO表示，它也可以观察到意想不到的情况。”
在质隙中
这两个喷射黑洞的独特的巨大质量，以及最后一个黑洞，提出了关于它们的形成的一系列问题。
到目前为止，所有观测到的黑洞都属于两种类型:恒星质量的黑洞，质量从几个太阳到几十个太阳，被认为是在大质量恒星死亡时形成的;或者是超大质量的黑洞，比如位于银河系中心的黑洞，它们的质量是我们太阳的几十万倍到几十亿倍。
然而，GW190521合并产生的质量为142个太阳质量的黑洞位于恒星质量和超大质量黑洞之间的中等质量范围内。而产生最终黑洞的两个黑洞在大小上似乎也是独一无二的。它们的质量如此之大，以至于科学家们怀疑它们中的一个或两个可能不像大多数恒星质量的黑洞那样是由坍缩的恒星形成的。
根据恒星演化的物理学原理，恒星核心中光子和气体向外施加的压力可以帮助恒星抵御向内的引力，因此恒星就像太阳一样稳定。大质量恒星的核心与铁一样重的原子核发生聚变后，就不能产生足够的压力来支撑外层。当这种向外的压力小于重力时，恒星在自身重量的作用下坍缩，形成一种被称为核心坍缩超新星的爆炸，它会留下一个黑洞。
由GW190521产生的黑洞的太阳质量
这个过程可以解释质量为130个太阳质量的恒星如何产生质量为65个太阳质量的黑洞。但对于较重的恒星，一种被称为“成对不稳定性”的现象被认为会出现。当核心的光子能量极大时，它们就会变成一对电子和一对反电子。这些粒子对产生的压力比光子小，导致恒星在引力坍缩的过程中变得不稳定，由此产生的爆炸强大到足以什么都不留下。甚至更大质量的恒星，超过200个太阳质量，最终会直接坍缩成至少120个太阳质量的黑洞。那么，一颗坍缩的恒星应该不能产生大约65到120倍太阳质量的黑洞——这个范围被称为“成对不稳定质量差”。”
但现在，产生GW190521信号的两个黑洞中较重的那个，其质量为85个太阳，是迄今为止在对不稳定质量间隙内被确定探测到的第一个。天体物理学家认为黑洞是由恒星坍缩形成的，但是西北大学的Berry说，一个85个太阳质量的黑洞是不可能形成的。
他说:“关于如何解决这个问题，有很多想法——把两颗恒星合并在一起，把黑洞嵌入一个它可以吞下的厚圆盘中，或者是大爆炸后形成的原始黑洞。”“我最喜欢的想法是分级合并，我们有一个黑洞，由之前两个较小的黑洞合并而成。”
分级合并是研究人员在第二篇论文中考虑的一种可能性，即两个前身黑洞本身可能是由两个较小黑洞合并而成，然后迁移到一起并最终合并。在西北大学其他研究人员独立理论预测的指导下，金博尔、贝里和卡洛杰拉一直在研究等级兼并。
追逐金博
“自2015年首次探测到引力波以来，经过了如此多的观测，令人兴奋的是，宇宙仍在向我们扔新东西，而这个85个太阳质量的黑洞是相当的曲线球，”金博尔说。
在关于GW190521的含意论文中，Kimball计算了天体物理解释的关键信息之一合并率，并领导计算了源为分层合并结果的概率。考虑到球状星团、由数十万颗恒星和黑洞组成的致密球的合并，支持或反对分层合并的可能性大致相同，但在星系致密中心合并的可能性可能更大。
在讨论结果时，金博尔说:“虽然GW190521的起源是个谜，但我特别兴奋的是，它可能是一个等级合并的结果。在未来，随着更多的双黑洞合并和对不稳定质量差距的更好理解，我们应该能够更明确地告诉GW190521的大黑洞本身是否是之前合并的产物。”
LIGO成员、加州理工学院物理学教授阿兰·温斯坦说:“这个事件开启的问题比它提供的答案更多。”“从发现和物理学的角度来看，这是一件非常令人兴奋的事情。”
一些意想不到的
关于GW190521还有很多问题。
LIGO和室女座探测器可以探测到来自多种来源的引力波信号。以GW190521为例，它的信号足够短，可以被解释为黑洞的双星以外的东西，这就使得引力波产生于双星合并以外的新来源的可能性非常小。
“如果某种全新的东西产生了这些引力波会怎样?””Kalogera说。这是一个诱人的前景，在这篇暗示论文中，科学家们简要地考虑了宇宙中可能产生他们探测到的信号的其他来源。例如，也许引力波是由我们星系中的一颗坍缩的恒星发出的。信号也可能来自宇宙膨胀初期产生的宇宙弦——尽管这两种奇异的可能性都不像二进制合并那样符合数据。”
今年3月，LIGO和室女座探测器完成了最近一次观测。这一时期的数据仍在分析中，预计会包含更多的引力波信号。探测器计划在明年完成增加探测范围的工作后恢复观测;日本的KAGRA探测器也将首次加入LIGO和Virgo探测器的行列。增强的全球探测网络预计将比以往任何时候发现更多的引力波。
“我们真的处于引力波天文学的黎明，”研究生金博尔说。“作为一名天体物理学家，很难找到一个更好的时机。”
这项研究是由美国国家科学基金会资助的。
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