克日，LIGO-Virgo引力波探测国际互助组宣布发现了至今最强的黑洞碰撞，由85倍太阳质量和66倍太阳质量的两个黑洞围绕并合成为了一个142倍太阳质量的黑洞，其中质量差约8倍的太阳质量转化为能量伟大的引力波在时空中流传。论文一经上线，迅速引起业界高度关注和热议，因其涉及所谓“不能能质量”黑洞的问题。但这一黑洞质量“禁区”真的存在吗？这又一定是双黑洞并合吗？中等质量黑洞都存在于那里？

本文来自微信民众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：刘辛味（《返朴》高级记者）、楼宇庆（清华大学物理系教授），题图来自：《星际穿越》

2020年9月2日，LIGO-Virgo引力波天文台互助团队正式揭晓了一年多来的研究剖析效果——他们发现了两个黑洞围绕并合为142倍太阳质量黑洞的引力波事宜（GW190521，即2019年5月21日发现的引力波事宜，以下其他事宜命名模式同此类推），这两个黑洞的质量划分为85倍太阳质量和66倍太阳质量。

这是现在该引力波天文台探测到的最大质量黑洞并合事宜，被以为首次发现了中等质量黑洞的实体存在。更令一些科学家兴奋激动又同时不解的是，新的发现处于所谓黑洞质量局限的“缺口”（或称“断档”、“禁区”），对天体物理历程中这类黑洞的形成理论模子和物理图像再次发出挑战。

GW190521双黑洞围绕并合的数值模拟演示围绕和并合，释放引力波。丨泉源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

黑洞的形成与种类

自2016年首次宣布探测到双黑洞并合发生的引力波事宜（GW150914），以及2019年4月宣布的M87星系中央的“超大质量黑洞照片”等一系列新发现以来，黑洞与引力波的研究不仅成为天文领域的热门，也引燃了民众科普的狂欢。不外，随着被揭晓的引力波事宜信号越来越多，双黑洞并合或者更为少见的双中子星并合等事宜似已无独有偶。

事实上，LIGO与Virgo的国际互助团队至今已经正式揭晓了探测到的15次引力波事宜，仅仅发现新的双黑洞并合事宜也就不算异常新鲜的事了，而本次宣布的142倍太阳质量的黑洞则让一些天文学家感应难以想象，再次引发科学界和民众媒体热议，这又是为何？

焦点问题在于142倍太阳质量的黑洞，以及并合前形成它的85倍太阳质量的黑洞，并不在现在某些所谓主流的黑洞形成理论之中。也就是说，这个质量局限内的黑洞是若何从宇宙时空中冒出来的，似乎没有像样的天体物理故事。

黑洞相关理论已经提出跨越百年。1915年爱因斯坦揭晓广义相对论后不到一年，德国天体物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）就从广义相对论中推导出了今天称之为球对称黑洞的数学解，一个黑洞的半径为2GM/c²（G是万有引力常数，M是黑洞质量，c是真空中的光速）。

有需要弥补一点，荷兰物理学家Johannes Droste在史瓦西几个月后独立地获得了黑洞球对称解，其数学推导比史瓦西的更简练。他是著名物理学家洛伦兹（Hendrik A. Lorentz）的学生。

直到1963年，29岁的新西兰数学物理学家克尔（Roy Patrick Kerr）进一步从广义相对论中推导出轴对称的旋转黑洞解。几十年来，天文学家基于差其余模子，接纳差其余观察方式在宇宙时空中由远及近推测出众多大巨细小的黑洞候选体，为它们分门别类，并探讨它们可能的物理起源和形成途径。

在恒星演化模子中，黑洞可以由一颗大质量恒星殒命后引力塌缩而形成。当恒星自身的核聚变燃料逐渐耗尽，热核聚变反应发生向外的辐射压力和气体压力一起不足以抵制永远向心的引力，该大质量恒星就会失稳向内迅猛引力塌缩，引发能量异乎寻常的超新星爆炸，最终在其中央只留下一个连光都逃逸不出的黑洞。

恒星演化的效果要思量其初始质量，它们中央最终并非一定成为黑洞，大部门质量偏小的恒星的了局实在是白矮星或中子星。理论盘算注释，最终要形成黑洞的大质量恒星的焦点至少要在3到4倍太阳质量以上。这是由于现在理论估量的物质极其致密的中子星质量上限约为3倍太阳质量，质量再大则星体失稳，可以塌缩，也可以爆炸。

天文学家将已经发现的黑洞按它们的质量一样平常分为恒星级质量黑洞（Stellar mass black holes，简称“sMBHs”）、中等质量黑洞（Intermediate mass black holes，简称“IMBHs”）和超大质量黑洞（Supermassive black holes，简称“SMBHs”）三类（质量局限详见下图）。

理论上还预言存在宇宙早期降生的，尺度和质量极小的原初黑洞，以及近些年来提出的绝超质量黑洞（Hypermassive black holes，简称“HMBHs”），它们的质量局限涵盖10¹⁰-10¹²倍太阳质量甚至更大，可以在宇宙包罗早期宇宙中的伟大物质库中动力塌缩形成，而且已有主要观察证据的支持。

此图展示致密天体白矮星、中子星和黑洞的质量局限及大致分类，单元接纳太阳质量，即 2X10³⁰千克丨图源：NASA

很显然在上图中，从几百到几十万倍太阳质量之间有一个很大的中等黑洞质量区间，岂非这一质量局限内的黑洞不存在吗？非也。实际上，现在已有不少间接的观察证据表示着中等质量黑洞的存在。

在理论上，大种子黑洞支持者以为，由于黑洞的质量生长有速率极限，宇宙学效果以为宇宙早期就应该有许多超大质量黑洞，它们应该是由大种子黑洞生长而成的。这些大种子就包罗中等质量黑洞。但这种假说还没有相对直接的观察证据。

至于中等质量黑洞是若何起源的，天文学家以为可能是宇宙早期超新星发作或气体云的坍缩形成。此时恒星的重元素多数集中在其焦点，最后会泛起更壮大的发作。而厥后形成的恒星，重元素就在其外面，在演化中最终可能被星风吹走，导致不易形成大质量的黑洞。若是这种假设建立，最初形成的中等质量黑洞还应该一直存在，可是我们还未发现它们。

除此之外，中等质量黑洞有可能在球状星团的中央区域形成，也有可能在矮球星系中央存在。理论上，天体物理学家提出中等质量黑洞可能由超大质量恒星动力塌缩而成，还可能因磁化超大质量恒星的广义相对论磁流体径向脉动失稳塌缩而成，后者形成的黑洞具有极为宽阔的质量局限，同时包罗中等质量黑洞和恒星级质量黑洞。

Tips

所谓的恒星级质量黑洞的质量局限一样平常在几倍到上百倍太阳质量（这些界定时有浮动），天文学家设想它们正是由大质量恒星自然演化引力塌缩而形成的。此前通过引力波探测到的十几个双黑洞都属于这一类型。

事实上在被引力波实验宣称探测到之前，几十个太阳质量的黑洞并未受到足够的重视和强调，它们的天体物理成因也并未被深入探讨。基于几年来的引力波事宜观察，现在天文学家则履历上以为它们应当遍布在各个星系之内，也可能游荡于宇宙空间。

在很长时间内，超大质量黑洞的传统质量局限一直在百万到几十亿倍太阳质量之间。依据几十年的观察，天文学家推断每个星系（包罗椭圆星系、盘状的漩涡星系以及矮星系）中央都存在着这类黑洞，好比我们银河系中央存在约410万倍太阳质量的黑洞，这只是超大质量黑洞中的小字号；而首次拥有“靓照”的M87星系中央的黑洞约有65亿倍太阳质量，算超大质量黑洞中的大块头。

超大质量黑洞的形成直接关系到星系形成和宇宙演化，而它们的降生和演化则是个开放性的主要前沿问题。黑洞周边物质吸积盘的存在，及其与黑洞相互作用而发生的种种高能流动有助于黑洞探测和估算黑洞参数。

然而一个黑洞从其周边吸积盘获取质量的吸积率远远不够高，以是一个超大质量黑洞的主体质量绝大部门从何而来，是天体物理学和宇宙学中一个不能回避的焦点问题。特别是在早期宇宙中，宇宙大爆炸后10亿年间超大质量黑洞甚至绝超质量黑洞的存在，从时间上使得这些黑洞快速形成的问题极为尖锐。

一种假设以为质量较大的黑洞先由多个相对较小质量的种子黑洞并合，依据这个图像推演，若要形成超大质量黑洞和绝超质量黑洞，则必须有异常频仍且连续不停的种种质量黑洞并合。云云会导致的一个不能避免的效果——宇宙时空中应当存在随机的引力波涟漪靠山。天文学家希望通过这些引力波辐射对多个毫秒射电脉冲星所发出周期信号的微弱影响（即所谓的脉冲星计时阵列，Pulsar timing arrays，简称“PTA”），来测定它们的存在。

国际上有若干个PTA项目试图探测这个靠山，但到现在为止均未乐成。就探索方案而言，这里涉及的模子、假设、剖析方案和手艺门路等都存在相当的不确定性。因此以历久连续不停的黑洞并合来形成超大质量黑洞，甚至绝超质量黑洞的物理图像仅仅是一个假说。

尚有其余设施来形成超大质量黑洞和绝超质量黑洞吗？实际上，大质量黑洞完全可以在伟大物质库中通过引力塌缩直接形成其主体部门，然后再在长时间内吞噬吸积物质逐渐演化。特别是在早期宇宙中，已经发现存在超大质量黑洞和绝超质量黑洞的存在证据，这预示着宇宙大爆炸后约10亿年间，逐渐冷却的宇宙已经漫衍着大巨细小的物质库。詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）设计于2021年发射升空，它有壮大的红外波段探测能力。若发射运行顺遂，期待JWST能在早期宇宙中发现更多的超大质量黑洞和绝超质量黑洞。

中等质量黑洞之谜

那么有报道说“不能能质量”黑洞被发现到底是怎么回事呢？这里所谓的“不能能质量”黑洞是指，在中等质量黑洞局限内处于质量低端的那一部门（见上图），存在一个“不能能”的黑洞质量缺口。简朴来讲，就是大致处于某一特定质量局限内的恒星核，当恒星中央温度足够高时，由于星体中央正负电子对不稳固性（Pair-instability，简称“PI”）的作用，恒星（对不稳固超新星）最后会发生凶猛高能量核爆炸，炸碎整个星体，从而不能形成一定质量局限内的黑洞。

尚有所谓恒星内部脉动性正负电子对不稳固性（Pulsational pair-instability，简称“PPI”），引发五花八门的超新星爆炸形式，但最后形成残余物的质量小于约65倍太阳质量。

早在上世纪60年代初，著名的英国天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）和美国核物理学家威廉·福勒（William Fowler，福勒与钱德拉塞卡共享1983年诺贝尔物理学奖）提出若是超大质量恒星（质量可高达1亿倍太阳质量）内部温度高到一定水平，其电磁辐射场中的高能γ光子可以转化天生正负电子对（electron-positron pair），因而高能γ光子数目锐减，导致光子气体所发生的辐射压降低，不足以抵制向内的壮大引力，超大质量恒星的内核就变得不稳固了，也就是所谓的PI。弥补说一句，时至今日人们依然在寻找超大质量恒星的证据。

多年后，美国天体物理学家S. E. Woosley进一步约束了条件，他凭据恒星模子的数值模拟效果提出，若是恒星中央的氦核质量稍小，32到64倍太阳质量（并不是指恒星初期的质量），可能会泛起PPI。PPI的大致意思是说，恒星内部由于发生正负电子对而缩短后，再发生热核反应，释放了更多γ射线，相当于辐射压再次提高，就像又往外“拱”了一下。

而γ光子还会再成为正负电子对，这样频频径向振荡若干次，因此称之为脉动性的（Pulsational）。之后恒星可能形成新的平衡态，最终成为核塌缩超新星（core-collapse supernova，简称“CCSN”），留下物质酿成致密的天体——很可能是黑洞，或是直接爆炸，物质抛向宇宙，但中央残存物的质量小于约65倍太阳质量。

PI和PPI的泛起与恒星质量有关。若是恒星中央氦核质量更大，到达64到135倍太阳质量，就直接泛起PI，此时塌缩引发的热核反应凶猛，所有物质都灰飞烟灭，整个星体被炸碎，因此也就不能在中央形成黑洞。若是氦核质量更大，PI引发的引力塌缩所释放的核能量不够高，也就无法逆转中央坍塌，依然导致黑洞的形成。由此模子推论就泛起了一个在65～133倍太阳质量的黑洞质量缺口。

应该指出，界定黑洞质量缺口的界线依赖许多因素，差其余超新星爆炸模子、恒星金属丰度、星风、中微子、恒星旋转都市影响这一历程，以是数值并不很确切，这里给出一个大致数量级。LIGO-Virgo互助团队的研究人员选择了较为普遍接纳的数值，临时可以以为基于现在大量恒星模子的数值模拟，这一局限质量的黑洞不太可能由一大类常用模子恒星直接坍缩形成。

（正负电子）对不稳固超新星（爆炸）的事情机制

恒星越大，爆炸越强

1. 在极为伟大的恒星中，引力的挤压（向内）在某种水平上与来自星体焦点光子（气体）的压力（向外）保持平衡

2. 在足够高的能量下，光子自觉地转化成正负电子，压力降低。(星体) 焦点缩短。

3. 一个更小、更致密的焦点发生了更大的引力。这些增添的引力使恒星焦点被挤压得更慎密。更多的光子转化成了正负电子对，焦点连续缩短，周全失控一触即发。

4. 焦点变得异常炽热，加倍致密，当焦点内的氧离子突然聚熔在一起，释放出伟大的能量。

5. 这颗恒星最终爆炸完全破坏，什么器械都不会留下，也更不会形成黑洞。

图源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

就验证而言，Woosley等人提出的理论效果似乎不与已往看到的某些观察征象相悖。2007年天文学家发现了第一颗对不稳固超新星（PI supernova）SN2007bi，其焦点约100倍太阳质量，发作后将22倍太阳质量的物质抛向了星际，发作的规模是通俗超新星发作的数百倍。此外，脉动对不稳固超新星（PPI supernova）也有一些可能的潜在候选者。（但中央是否有黑洞，观察上可能不容易确定。相关内容可参见《史上最高能超新星被发现，是征采已久的神秘类型超新星吗？》）以是在中等质量黑洞的低端部门，存在缺失的一环是一大类模子恒星的数值模拟效果，陈述较为清晰。

观察实验团队倾向用探测效果来直接挑战陈述清晰、放话最狠的理论预言， LIGO-Virgo引力波探测互助团队深谙这一点，用这一类模子的数值模拟效果，有的放矢，更能同时引起观察家和理论家的兴趣，使得这一观察效果广为关注。研究人员以为本次GW190521引力波事宜的三个黑洞中至少有一个黑洞的质量落在这一PI导致的黑洞质量缺口之内，也是首次相对直接探测到中等质量黑洞，这便是许多天文学家惊呼的缘故原由了。

事实上，PI模子并不是唯一解。近年来天体物理学家提出了磁化大质量恒星模子。暂不思量恒星旋转的因素，在异常大的质量局限内，大质量恒星内部有电磁波辐射场（即光子气体）、热气体和磁场，可以由种种可能的差异组份比例形成处于静止平衡态的磁化大质量恒星。基于这类模子，可以更进一步举行球对称径向扰动稳固性剖析，而且涉及的静态平衡和扰动都是在广义相对论框架中举行。要害在于，这类恒星内部温度完全可以不用高到发生正负电子对不稳固性，从而不涉及PI或者PPI所触发的热核反应。

一旦这类磁化大质量恒星逐步演化到广义相对论磁流体扰动失稳时，整个磁化恒星系统就可以直接动力塌缩形成种种质量的黑洞——包罗恒星级质量黑洞和中等质量黑洞，并不会存在中等质量黑洞低端的断档。同时，这类历程可以在响应的物理参数局限内表现为宇宙时空中的γ射线暴（Gamma-Ray Bursts，简称“GRBs”）和快速射电暴（Fast Radio Bursts，简称“FRBs”），或者是其他波段的短促而凶猛的高能电磁发作（Electromagnetic Bursts，简称“EMBs”）。

插曲：追溯高能γ光子发生正负电子对的实验征象

这里再讲一个关于高能γ光子发生正负电子对这一实验征象的插曲。今天高能天体物理历程中经常用到的正负电子对这一主要物理观点，正是源于在实验室中最早发现正负电子对的核物理实验——由我国核物理先驱赵忠尧先生首次实验发现。

1927年，赵忠尧前往美国加州理工学院留学，师从美国著名实验物理学家、诺贝尔奖得主密立根（Robert Millikan）攻读博士学位。原本密立根只给了他一个容易的问题以便让其尽快获得学位。可是赵忠尧却以为这项关于光学过问的实验过于简朴，希望学习更多的物理和实验手艺。

他这样的想法甚至让密立根以为他有些不知天高地厚，但最终照样赞成让他做了前沿实验课题，“硬γ射线通过物质时的吸收系数丈量”，验证那时刚问世的康普顿（Compton）散射公式——克莱因-仁科（Klein-Nishina）公式（1929年），这是对低能经典的汤姆森 （Thompson）散射的高能相对论推广，涉及量子电动力学。硬γ射线示意能量高的γ射线光子，即电磁波长更短或频率更高。

1929年，赵忠尧实验发现只有轻元素的γ射线吸收较为相符理论公式预言，而重元素（如铅）的实验丈量效果比理论盘算效果大了约40%，他称此征象为γ射线的反常吸收。

在稍后的一段时间内，英国剑桥卡文迪许实验室的G. T. P. Tarrant，德国威廉天子学会化学研究所（马普化学所前身）的迈特纳（L. Meitner，迈特纳女士是王淦昌先生的导师，因1938年第一个理论注释奥托发现的核裂变而成名，参见《她是奠基“核裂变”理论的物理学家，却拒绝了曼哈顿设计》）和H. H. Hupfeld也发现了γ射线的反常吸收征象。1930年赵忠尧在对γ射线散射辐射强度和角漫衍的实验中发现，伴随着γ射线的反常吸收还泛起了能量为0.5MeV的“附加散射辐射”。

实际上，这就是正负电子对湮灭而转化为一对γ光子的湮灭辐射，而反常吸收正是由于能量足够高的入射γ光子湮灭转化为正负电子对而使得γ光子数目削减——赵忠尧已经找到了正电子存在的证据，它就是对应带负电的电子的反物质粒子。

异常惋惜的是，那时狄拉克方程对可能存在反粒子的理论预言刚刚提出不久（1928年），赵忠尧和密立根都没能把异常的实验效果与狄拉克的理论联系起来。英国和德国的两个小组划分得出的实验效果不仅晚于（约1～2年后）赵忠尧的实验，而且效果也不正确，并没能得出要害的0.5MeV。

更遗憾的是，从理论上注释正负电子对湮灭和辐射做出主要事情的布莱克特（Patrick Blackett）和奥基亚利尼（Giuseppe Occhialini）在他们的论文中并未正确地引用赵忠尧的实验事情效果。种种因素综合在一起，客观上影响了国际物理学界对赵忠尧实验效果的实时一定，直接导致他的主要贡献被同时代学者所遗忘。

1932年，同是密立根学生的安德森（Carl D. Anderson）首先在高能宇宙射线中发现了正电子，由此与维克托·赫斯（Victor Hess）共享了1936年的诺贝尔物理学奖，他厥后示意受到了赵忠尧实验效果的启发。直到上世纪80年代末，由著名物理学家杨振宁先生等人深入考证相关文献后，这段主要的物理学历史才得以澄清。

诺贝尔物理奖评审委员会前主席Gösta Ekspong在接见中国科学院高能物理研究所时曾留言，“我遇到了一位缔造了伟大历史记录的人，即赵忠尧教授，他几乎在1930年就发现了正电子，是在安德森之前。”

作为第一例反物质粒子，正电子的发现对人类熟悉宇宙中的物质有着深刻主要的意义，这是中国学者对物理学生长做出的极为主要贡献。今天我们知道不仅仅是电子，每一种正物质粒子都有与其相对应的反物质粒子，它们遵从1928年问世的狄拉克方程。

双黑洞并合，照样其他？

2019年5月21日，LIGO的两座过问仪（美国华盛顿州的汉福德LHO和路易斯安纳州的利文斯顿LLO），以及意大利北部Virgo过问仪在第三次运行时代检测到了这次事宜信号。新发现缔造了引力波探测的多项纪录——初始双黑洞最大，划分为85倍太阳质量和66倍太阳质量；并合后的黑洞质量最大，142倍太阳质量；并合历程中转换为引力波能量的黑洞质量最多，约8倍太阳质量以壮大引力波能量的形式从双黑洞并合处向宇宙时空辐射出去；距离最远，引力波信号用了70亿年传到我们地球，思量到宇宙膨胀的因素，黑洞距离地球约170亿光年。

图中给出10个双黑洞并合引发的引力波事宜，并用小球的巨细形象地代表黑洞质量。就Schwarzschild黑洞而言，黑洞质量与黑洞半径呈线性关系。GW190521事宜是到现在为止发现最大质量的双黑洞并合事宜。丨图源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

这次信号来得也很急促，只连续不到0.1秒。而且信号峰值频率约60Hz，恰是美国都会交流电频率。对于从事数据剖析的科学家来说，短信号或有可能只是一次噪声。研究人员在揭晓于《物理学谈论通讯》（PRL）的论文中示意，他们并未发现显著的电力颠簸，检测供电系统的传感器十分敏感，由于电压颠簸比一样平常的瞬态噪声还小得多。

他们将该信号与最初发现引力波的信号举行对比，“这更像是某种器械‘爆炸’，而且是LIGO-Virgo探测到最凶猛的信号”，法国国家科学研究中央（CNRS）研究员Nelson Christensen说。LIGO-Virgo多个团队对信号举行了详细剖析，靠山噪声相对于以往并无太大差异，又清扫了其他有时事宜（LHO周边恰有直升机经由），让他们确定信号不是噪声。

那么事实是否是引力波信号呢？LIGO-Virgo互助团队有两类算法来识别信号，一种是在数据中挑选出特定的模子双星并合信号，依赖设计好的双黑洞或中子星等天体运动的模子作为模板，而且为了相互验证，这类算法中是两种差其余工具（PyCBC和GstLAL）；另一种是更“万能”（coherent WaveBurst，简称“cWB”），针对种种突发信号，错误率仅为4900年一次，最早发现的引力波信号就是通过这种算法发现的。三种算法都发现了本次事宜信号，在PRL的论文中，他们主要注释了算法识其余真实性，一定了信号源于引力波，而且相符双黑洞并合模子，同时确定相关参数。

上三张图中，GW190521引力波事宜信号埋藏在靠山噪声中，而且相对LIGO的而言，Virgo的信号很弱。下三张图中，差异频率身分的信号强度（黄颜色示意最强）随时间的转变；同样地，用人眼判别很难判断Virgo是否探测到信号（右下）。丨图源：DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.101102

同时揭晓在《天体物理学杂志通讯》（ApJL）的文章详细剖析了信号泉源。双星系统并合的引力波模子中主要分三个阶段——围绕（Inspiral）、并合（Merge）和铃宕（Ringdown，最终稳固前的阶段，就像敲钟后）。事宜信号虽短，但整个历程相符广义相对论剖析/数值解和数值相对论模拟给出的双黑洞并合模子。值得一提的是，铃宕阶段模拟给出最终黑洞的有用进动自旋较大，表示了存在进动——黑洞的自旋轴与轨道轴不一致而引发的。事实上，自动检测信号的算法中并没有纳入黑洞自旋轴围绕轨道轴进动的模子，以是研究人员在检测到信号时就忧郁模板不适用，最终模拟效果是黑洞自旋轴围绕轨道轴的进动对模子影响很小。这似乎表示着某种水平的模子参数简并。

数值相对论模拟显示黑洞演化并释放出引力波辐射丨泉源：D. Ferguson, K. Jani, D. Shoemaker, P. Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration

GW190521事宜双黑洞并合的艺术想象图。箭头代表黑洞的自旋，网格注释旋转带来的时空度规拖拽效应和向外流传的引力海浪。前文提到的若干正在运行的脉冲星计时阵列(PTA)的观察项目，便可借此图夸张地想象：射电脉冲星在引力波扫过时会晃来晃去。天文观察者正是想用经由认真选择的多个毫秒脉冲星形成一个伟大的空间阵列，从脉冲信号数据的综合剖析中探测出微弱的引力波涟漪靠山。丨图源：Raúl Rubio/Virgo Valencia Group/The Virgo Collaboration

由于信号很短，研究人员也思量了其他模子的可能性。在天体物理学研究中，一次事宜相符多种模子是常见的情形（即理论模子简并）。论文中一口吻给出了5个差其余可能替换方案，其中包罗非零轨道离心率和正面碰撞，并不像以往两个黑洞成圆轨道旋转着并合；强引力透镜效应；原初黑洞并合；宇宙弦信号；核坍缩超新星发作。惋惜这些模子的拟合效果均不如双黑洞并合模子来得好。美国加州理工学院LIGO项目成员Alan Weinstein教授说：“断言我们发现了新器械的门槛异常高，我们通常使用奥卡姆剃刀原则，简朴的解决方案就是最好的解决方案，在这个例子中就是双黑洞并合。”

就在LIGO-Virgo团队刚完成论文时，兹威基瞬态设施（Zwicky Transient Facility，简称“ZTF”）项目组宣称他们发现了该信号候选的电磁对应体——流动星系核的耀斑。流动星系核是星系的中央核有凶猛流动的征象，通常推测这里存在超大质量黑洞，黑洞与其吸积盘相互作用吞噬物质时就有可能泛起凶猛的电磁发作。

他们的团队假设双黑洞并合后发生的引力波将剩余黑洞和周围物质反冲推向了吸积盘，而观察到的电磁信号似相符这一模子。现在还不能确定ZTF探测到的电磁发作与黑洞并合的关联（ZTF搜索了相近区域60天内的信号，第34天发现了耀斑），但这一想象也足以让天文学家兴奋了。

若是是双黑洞并合，142倍太阳质量的中等质量黑洞就很容易注释。可是，初始的两个黑洞一个正落在黑洞质量缺口之内（85倍太阳质量黑洞），一个处于黑洞质量缺口的下边缘（66倍太阳质量黑洞），那么它们又是怎么形成的呢？

研究人员给出了三种模子：（一）两对双恒星级质量黑洞并合成两个二代黑洞，思量到这两个二代黑洞要在致密的环境内继续并合，实在这一模子图像也并不简朴；（二）年轻星团中的恒星并合，一颗已演化出氦核的恒星与主序伴星碰撞并合成为一个巨星，在进入PI阶段前就坍缩成黑洞；（三）流动星系核吸积盘内黑洞并合，黑洞吸积盘里的物质有助于小型黑洞的生长并合。至于最终哪种方案胜出，尚有赖于未来更多中等质量黑洞的发现。

“宇宙版2048游戏”。此图以问号“？”的形式建议两对相对更小的黑洞划分并合先形成66倍太阳质量和85倍太阳质量的黑洞，目的是直接回避大质量恒星演化中由PI造成所谓的黑洞质量禁区。然后66倍和85倍太阳质量的双黑洞并合形成142倍太阳质量的黑洞，其中约8倍太阳质量转化为壮大的引力波能量向宇宙时空中辐射，最终被遥远地球上的LIGO-Virgo过问仪探测到。丨图源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

中等质量黑洞在那里？

历久以来，天文学家一直没找到中等质量黑洞存在的决定性证据，但在三类天系统统中发现了它们的蛛丝马迹。

第一类是球状星团（Globular cluster）的中央。这类早在数百年前就被人类注意到的呈球状的天系统统，由数万到甚至数百万颗恒星因引力约束而组成。天文学家推测它们可能是殒命星系残留的焦点，在壮大的引力作用下形成了相当完善的球状结构。人们在银河系内就已发现了150余个球状星团。基于履历的外推，天文学家一直嫌疑其中央异常可能存在几千或几万倍太阳质量的黑洞。

有意思的是，球状星团作为候选者在理论上的缘故原由是对超大质量黑洞延续性的探索。十几年前，天文学家发现了超大质量黑洞与其母盘状星系核球区的，或其母椭圆星系的恒星平均速率弥散强度（统计上的方差σ）有很强的相关性（即所谓的M_BH-σ关系， M_BH是黑洞的质量），显著呈对数线性关系。

那自然就会想到继续向黑洞质量下限探索，到了10⁵倍太阳质量的黑洞或再往下，所对应的恒星系统就是球状星团了。天文学家对球状星团的观察研究已经跨越50年，这内里就发现了多个有潜质的星团。然则，这些球状星团中央区所发出的X射线、运动速率等实测效果与动力学模子对照注释，黑洞模子并非唯一注释。

到现在为止，还未泛起确凿的证据注释球状星团中有中等质量黑洞，但也不能清扫。若是拿现在若干球状星团中央的中等质量黑洞候选体质量M_BH和它们响应的恒星平均速率弥散σ做关联剖析，人们依然可以获得很强的相关性，同样呈对数线性关系。这很可能展现了动力学系统演化中的某种普适性子。

球状星团 (globular cluster) 可以由上百万颗恒星因引力约束而形成的球状系统。本光学图片是球状星团杜鹃座47（NGC 104），被以为中央存在一个2200倍太阳质量的黑洞，但对该星团中的射电脉冲星的历久观察数据似不支持黑洞存在。丨图源：Dieter Willasch (Astro-Cabinet)

第二类是极亮X射线源（Ultraluminous X-ray Sources，简称“ULXs”），这类天体亮度跨越10³⁹ erg/s（相当于1秒钟释放的能量大于10³²J——约20亿亿个原子弹释放的能量），远远跨越一样平常银河系X射线双星的亮度，而且不在星系动力学中央。

究其本源，一种可能的注释就是中等质量黑洞存在，缘故原由在于它的亮度跨越恒星级黑洞的爱丁顿极限（Eddington limit），而恒星级黑洞的爱丁顿极限也就在10³⁹ erg/s量级。所谓爱丁顿极限是指恒星或吸积盘理论上所达的最大亮度，此时光子向外的辐射压力与物质引力平衡。若是亮度更高，即辐射压更强，则物质吸积住手，辐射压力向外驱动物质形成星风会把恒星外层吹走，对吸积盘来说也不再有吸积历程，因此也就不存在黑洞了。

另一方面，天文学家也清扫了射线源是超大质量黑洞。主要缘故原由在于它不在星系中央，否则在形成历程中会与中央的超大质量黑洞相互引力吸引，最终并合，可是基本没有发现到这一历程应释放出的强烈信号。通过实测与模拟，逐步吞噬物质的中等质量黑洞成为合理的注释，好比恒星黑洞双星系统，黑洞吸积恒星的物质；或是在极端情形下快速吸积物质的恒星级质量黑洞。不外厥后更多的观察显示，许多著名的ULX更有可能是脉冲星。

NGC 5408 X-1的艺术想象图。该源曾被以为是中等质量黑洞最佳候选者，由中等质量黑洞和恒星组成的双星系统。丨图源：NASA

第三类，也是现在最有希望找到中等质量黑洞的是矮星系（Dwarf galaxy）中央。相较于银河系的数千亿恒星，矮星系的规模显得细微许多，也许组成从数千到几十亿颗恒星不等。既然已经能确定星系中央都拥有超大质量黑洞，那么矮星系中央会有个头小一点的黑洞吗？通过不停观察剖析，天文学家以为确实是有的。

2006年，天文学家发现一个强烈的X射线耀斑（被命名为3XMM J215022.4−055108），那时还不能确定来自我们银河系内照样系外，理论注释可能是一颗恒星靠近引力壮大的致密天体后被吞噬所导致X射线发作，或者是银河系内的一颗中子星，正处于发作后的冷却阶段。

今年3月，美国新罕布什尔大学林达成团队揭晓最新的效果，他们行使哈勃望远镜找出了它的确切方位，射线源来自银河系外一个致密的星团，可能是一个低质量矮星系的焦点。他们行使哈勃和XMM-牛顿卫星同时举行了光学和X射线波段的观察，清扫了射线源是中子星的可能。

射线源最佳注释是一个5万倍太阳质量的黑洞。美国航空航天局（NASA）宣称，这是哈勃空间望远镜发现中等质量黑洞的最佳证据。

哈勃空间望远镜的高级巡天相机拍下了射线源的位置，白色圆圈标记了3XMM J215022.4−055108所在位置。丨图源：NASA/ESA/D. Lin

此前天文学家在透镜状星系ESO 243-49边缘发现过一个周期性发作的X射线源，亮度高到达10⁴² erg/s，因此得名HLX-1（Hyper-Luminous X-ray source 1 - 超亮x射线源 1）。

此前以为HLX-1是一个500倍太阳质量的黑洞，位于一个蓝色致密矮星系（BCD galaxy，由大量年轻的大质量恒星组成，出现蓝色）的中央，该星系与大星系ESO 243-49碰撞并合导致矮星系的恒星被黑洞吞噬，导致X射线发作。厥后我国学者剖析了6年的雨燕空间卫星（Neil Gehrels Swift Observatory）的监测数据，从发作的纪律剖析推测可能是双星系统，其中包罗一个几千倍太阳质量的黑洞。

哈勃空间望远镜-宽视场望远镜3所摄。白色圆圈内里的蓝色小点即ESO 243-49，HLX-1所在位置丨图源：NASA/ESA

中等质量黑洞的候选者不少，可是难见真身，究竟除了引力波的相对直接探测，黑洞只能通过周围星体运动或吸积释放的X射线、喷流等间接观察。 

“夜空中最亮的星，能否听清……”《落难地球》的片尾曲，唱尽了人的伶仃，也唱出宇宙无垠，而且有科学原理。关于黑洞的种种问题，只待未来更多观察事宜才气告诉我们相对确切的谜底。

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本文来自微信民众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：刘辛味（《返朴》高级记者）、楼宇庆（清华大学物理系教授）