快速的“砰”声表示有史以来检测到的最重的重力波源

激发并合并并发射引力波的两个黑洞的数值模拟。黑洞的质量大且几乎相等，一个黑洞的质量仅比另一个大3％。模拟的引力波信号与LIGO和处女座引力波探测器在2019年5月21日（GW190521）的观察结果一致。

科学家发现了首创的“中等质量”黑洞

包括西北大学天文学家在内的国际研究合作组织见证了“中等质量”黑洞的诞生。这是中间质量黑洞的第一个结论性发现，该物体长期以来一直被天文学家所掩盖。宇宙事件以引力波的形式在地球上检测到它的能量，是迄今为止在引力波中观察到的最大的黑洞合并。

两个黑洞可能会碰撞并合并，以创建一个更大的黑洞，最终质量是太阳的142倍，即142个太阳质量。这个最后的黑洞是在恒星质量和超大质量黑洞之间的中等质量范围内首次发现的。

另一个首先是，两个合并的黑洞中较重的黑洞为85太阳质量，这是迄今为止在“成对不稳定质量差距”内检测到的第一个黑洞。

该视频显示了两个黑洞的数值模拟，这些黑洞向内螺旋并合并，并发射出引力波。模拟的引力波信号与LIGO和处女座引力波探测器在2019年5月21日（GW190521）的观察结果一致。

研究人员于2019年5月21日在美国国家科学基金会的LIGO（激光干涉法引力波天文台（LIGO））中检测到了引力波信号，这是美国一对相同的，长4公里的干涉仪，而处女座则是意大利的3公里长探测器。该信号被称为GW190521。

组成LIGO科学合作组织（LSC）和处女座合作组织的科学家团队在今天（2020年9月2日）发表的两篇论文中报告了其发现。一种出现在《物理评论快报》中，详细介绍了引力波信号的发现，另一种出现在《天体物理学期刊快报》中，讨论了信号的物理性质和天体物理意义。

艺术家的概念，说明了用于合并黑洞的分层方案。LIGO和处女座最近发现了一个黑洞合并，其最终质量是太阳的142倍，这是迄今为止在重力波中观察到的最大规模的黑洞合并。人们认为该事件是在两个分别有约66和85个太阳质量的黑洞相互旋成螺旋形并合并在一起时发生的。理论模型表明，自然不可能形成这种沉重的黑洞。特别是，模型确定了65至120太阳质量之间的质量范围，称为“对不稳定质量间隙”，其中认为黑洞不能由坍缩的恒星形成。那么，LIGO和处女座观察到的两个合并的黑洞是如何产生的呢？科学家认为，这些黑洞可能是由两个较小的黑洞的早期合并形成的，如图所示。

克里斯托弗·贝里（Christopher Berry）是西北大学CIERA（天体物理学跨学科探索与研究中心）的CIERA客座研究教授，曾是LSC编辑委员会的发现论文审稿人。Chase Kimball，也是LSC成员和西北天文学博士。这名学生，在影响力论文中为分析GW190521的天体起源做出了贡献。金宝球由西北LSC小组的首席研究员，CIERA负责人Berry和Vicky Kalogera共同建议，并且是温伯格文理学院的Daniel I. Linzer杰出大学物理与天文学教授。

“天体物理学的一大谜团是如何形成超大质量黑洞？”贝瑞说。“它们是房间里的百万头太阳能大象。它们是从恒星崩溃时产生的恒星质量黑洞中生长出来的，还是通过未发现的方式而诞生的？我们长期以来一直在寻找一个中等质量的黑洞，以弥合恒星质量和超质量黑洞之间的差距。现在，我们有证据证明确实存在中等质量的黑洞。”

GW190521的信号类似于四个短的摆动，持续时间非常短，持续时间不到十分之一秒。据研究人员所知，它是由大约5吉帕斯秒远的源产生的，当时宇宙大约是当前年龄的一半，这意味着信号在到达地球之前在太空中传播了70亿年。GW190521的源是迄今为止检测到的最远的引力波源。

处女座的法国国家科学研究中心研究员纳尔逊·克里斯滕森说：“这看起来不像是typically，这是我们通常会检测到的。”他将信号与LIGO于2015年首次检测到引力波进行了比较。“这更像是'砰'的一声，这是LIGO和处女座所看到的最大的信号。”

迄今为止，几乎每一个确定的引力波信号都是来自两个黑洞或两个中子星之间的二元合并。这次最新的合并似乎是迄今为止规模最大的一次合并，涉及两个鼓舞人心的黑洞，其质量分别约为85和66太阳质量。

艺术家的概念，说明了用于合并黑洞的分层方案。LIGO和处女座最近发现了一个黑洞合并，其最终质量是太阳的142倍，这是迄今为止在重力波中观察到的最大规模的黑洞合并。人们认为该事件是在两个分别有约66和85个太阳质量的黑洞相互旋成螺旋形并合并在一起时发生的。理论模型表明，自然不可能形成这种沉重的黑洞。特别是，模型确定了65至120太阳质量之间的质量范围，称为“对不稳定质量间隙”，其中认为黑洞不能由坍缩的恒星形成。那么，LIGO和处女座观察到的两个合并的黑洞是如何产生的呢？科学家认为，这些黑洞可能是由两个较小的黑洞的早期合并形成的，如图所示。

贝里说：“引力波观测是革命性的。”“每次新检测都会完善我们对黑洞形成方式的理解。有了这些引力波的突破，不久之后，我们就有足够的数据来揭示黑洞是如何诞生以及如何发展的秘密。”

LIGO-Virgo小组还测量了每个黑洞的自旋，发现随着黑洞之间的盘旋越来越近，它们可能绕着自己的轴旋转，而其角度与它们的轨道轴不成一直线。黑洞错位的自旋可能会导致轨道旋转或“进动”，这是因为两个巨人相互螺旋形旋转。

新信号可能表示两个黑洞合并的瞬间。合并产生了一个更大的黑洞，大约有142个太阳质量，并释放出了巨大的能量，相当于大约8个太阳质量，以引力波的形式分布在整个宇宙中。

美国国家科学引力物理学项目主任佩德罗·马罗内蒂（Pedro Marronetti）说：“ LIGO不仅使我们惊讶，不仅发现了难以解释的黑洞，而且使用了并非专门为恒星合并设计的技术。”基础。“这具有极其重要的意义，因为它展示了仪器从完全无法预料的天体物理事件中检测信号的能力。LIGO证明它也可以观察到意外情况。”

在质量差距

两个鼓舞人心的黑洞以及最后一个黑洞的独特巨大质量，引发了一系列有关其形成的问题。

迄今为止，观察到的所有黑洞都属于两类：恒星质量黑洞，其大小从几个太阳质量¬到数十个太阳质量不等，被认为是大质量恒星死亡时形成的。或超大质量的黑洞，例如银河系中心的黑洞，其质量是太阳质量的数十万至数十亿倍。

但是，GW190521合并产生的142太阳质量黑洞位于恒星质量和超质量黑洞之间的中等质量范围内。而且，产生最终黑洞的两个黑洞在大小上也似乎是独一无二的。它们如此巨大，以至于科学家们怀疑它们中的一个或两个可能不是像大多数恒星质量黑洞那样由坍缩的恒星形成的。

根据恒星演化的物理学，恒星核心中的光子和气体所产生的向外压力会支撑恒星抵抗重力向内推动，从而使恒星像太阳一样稳定。大质量恒星的核融合了像铁一样重的核后，它将不再产生足够的压力来支撑外层。当向外的压力小于重力时，恒星在自身的重量作用下坍塌，发生爆炸，称为核塌陷超新星，该爆炸可能留下黑洞。

这个过程可以解释质量高达130个太阳质量的恒星如何产生高达65个太阳质量的黑洞。但是对于较重的恒星来说，一种称为“成对不稳定性”的现象被认为会发生。当核心的光子变得非常高能时，它们会变形为电子对和反电子对。这些对产生的压力小于光子，从而使恒星变得不稳定，以防万有引力坍塌，并且由此产生的爆炸足够强大，不会留下任何东西。甚至超过200个太阳质量的更大质量的恒星最终将直接坍塌到至少120个太阳质量的黑洞中。因此，一颗坍缩的恒星应该不能在大约65到120太阳质量之间产生黑洞-这个范围被称为“成对不稳定质量差”。

但现在，产生GW190521信号的两个黑洞中的质量较重，为85太阳质量，是迄今为止在对不稳定的质量间隙内有把握地检测到的第一个黑洞。天体物理学家认为，恒星坍塌会形成黑洞，但是用这种方法不可能实现质量为85个太阳质量的黑洞，西北航空的贝里说。

他说：“关于如何解决这个问题，有很多想法-将两颗恒星合并在一起，将黑洞嵌入可以吞咽的厚物质盘中，或者在大爆炸之后产生原始的黑洞，”他说。“我真正喜欢的想法是分层合并，其中我们有一个黑洞，该黑洞是由先前的两个较小的黑洞合并而成的。”

研究人员在他们的第二篇论文中考虑了一种可能性，其中两个祖先黑洞本身可能是由两个较小的黑洞合并而成，然后才迁移到一起并最终合并，这是一种可能性。Kimball，Berry和Kalogera一直在研究西北航空公司其他研究人员在独立理论预测的指导下的等级合并。

“自从2015年首次发现引力波以来，经过如此多的引力波观测，令人兴奋的是，宇宙仍在向我们投掷新东西，而这个质量为85太阳能的黑洞确实是曲线球，”金博尔说。

对于有关GW190521的影响文件，Kimball计算了合并率，这是天体物理解释的关键信息之一，并计算了源是等级合并的结果的可能性。即使考虑球状星团，成千上万个恒星的密集球和黑洞的合并，赞成或反对等级合并的几率也大致相同，但对于在银河系密集中心合并的几率可能会更好。

在讨论结果时，金博尔说：“虽然GW190521的起源是个谜，但令我特别高兴的是它可能是等级合并的结果。将来，随着更多的二进制黑洞合并以及对配对不稳定质量差距的更好理解，我们应该能够更确切地判断GW190521的大黑洞本身是否是先前合并的产物。”

加州理工学院物理学教授，LIGO成员艾伦·温斯坦（Alan Weinstein）说：“这一活动提出的问题多于提供的答案。”“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。”

“出乎意料的事情”

关于GW190521，还有许多其他问题。

LIGO和处女座探测器可以探测来自许多源的重力波信号。在GW190521的情况下，信号足够短，以至于可以将其解释为黑洞的二进制以外的东西，这极小机会使引力波从二进制合并以外的新来源产生。

“如果某种全新的事物产生了这些引力波该怎么办？”Kalogera说。“这是一个诱人的前景，在影响文件中，科学家简要地考虑了宇宙中可能产生其探测到的信号的其他来源。例如，也许引力波是由我们银河系中一颗正在坍塌的恒星发出的。该信号也可能来自宇宙在最早膨胀时产生的宇宙弦，尽管这些奇特的可能性都无法与数据以及二进制合并相结合。”

LIGO和处女座探测器在今年三月完成了最新的观测运行。该时期的数据仍在分析中，预计将包含更多的重力波信号。计划在完成增加检测范围的工作后于明年恢复观测。日本KAGRA探测器也将首次加入LIGO和处女座探测器。预计增强的全球探测器网络将比以往任何时候发现更多的引力波。

研究生金博尔说：“我们真的处于引力波天文学的曙光中。”“很难找到一个更好的时间来担任天体物理学家。”

参考：

“ GW190521：R. Abbott等人的总质量为150M⊙的二进制黑洞合并。（LIGO科学协作与处女座协作），2020年9月2日，体检信。
10.1103 / PhysRevLett.125.101102

R. Abbott，TD Abbott，S。Abraham，F。Acernese，K。Ackley，C。Adams，RX Adhikari，VB Adya，C。Affeldt，“ 150太阳质量二进制黑洞合并器GW190521的特性和天体意义”，阿加索斯（M. Agathos）与LIGO科学合作与处女座合…作（2020年9月2日），《天体物理学杂志快报
》。10.3847 / 2041-8213 / aba493