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雖然我們直到2019年才首次通過(guò)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”一睹黑洞的真容，但關(guān)于黑洞的謎團(tuán)可一直都不少…… 宇宙中曾經(jīng)發(fā)生了這樣一起神秘事件：大約8億光年外，一個(gè)黑洞吞噬了一個(gè)不明天體，釋放出的能量激起了時(shí)空的漣漪。這種被稱為“引力波”的漣漪，在宇宙中穿行，最終于2019年8月14日抵達(dá)了地球。地球上三個(gè)靈敏度極高的探測(cè)器測(cè)量了這波微小擾動(dòng)。當(dāng)天文學(xué)家破解引力波中蘊(yùn)含的信息時(shí)，卻遇到了一個(gè)新的謎團(tuán)。  IMAGE BY N. FISCHER, S. OSSOKINE, H. PFEIFFER, A. BUONANNO (MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS), SIMULATING EXTREME SPACETIMES (SXS) COLLABORATION 這場(chǎng)宇宙碰撞編號(hào)為GW190814，在LIGO和Virgo兩大機(jī)構(gòu)探測(cè)到的幾十次宇宙并合事件中十分特別。數(shù)百萬(wàn)年甚至數(shù)十億年來(lái)，這兩個(gè)天體都在相互繞轉(zhuǎn)，距離越來(lái)越近，直到碰撞在一起。天文學(xué)家推算出其中一個(gè)天體是質(zhì)量相當(dāng)于23個(gè)太陽(yáng)的黑洞。而另一個(gè)被黑洞整個(gè)吞下的天體，質(zhì)量約為太陽(yáng)的2.6倍，是一個(gè)還無(wú)法定義的神秘天體。 這個(gè)神秘的物體正好處在臨界點(diǎn)上，既像是像恒星一樣擁有表面的天體，又像是時(shí)空無(wú)底洞（即黑洞）。它的質(zhì)量處于已知最重的中子星（恒星發(fā)生超新星爆發(fā)后的殘留物）和最輕的黑洞（恒星殘骸足夠致密而形成的密度無(wú)限大的點(diǎn)）之間。  ILLUSTRATION BY DANA BERRY, NASA 科學(xué)家們一直在研究中子星和黑洞之間的界限，因?yàn)檫@個(gè)界限可以揭示物質(zhì)在宇宙最極端條件下的行為。并且，由于這些奇特的天體是恒星演化的終點(diǎn)，在某個(gè)時(shí)刻，當(dāng)所有的恒星都燃燒殆盡時(shí)，可能只剩它們漂浮在空蕩宇宙中。這一切都使得鑒定GW190814事件中奇特天體的性質(zhì)，變得更加吸引人了。 美國(guó)西北大學(xué)的Vicky Kalogera說(shuō)：“如果它是一顆中子星，那它的質(zhì)量可真是讓人興奮；如果它是一個(gè)黑洞，那這個(gè)黑洞的質(zhì)量也同樣讓人興奮。無(wú)論如何，當(dāng)我們看到它的那一刻，我們就興奮起來(lái)了！”  引力波以光速傳播，所經(jīng)之處的一切物質(zhì)都會(huì)受到它的影響。但是，它們時(shí)空彎曲的程度太小，很難被探測(cè)到。LIGO設(shè)在美國(guó)華盛頓和路易斯安那州的探測(cè)器，以及設(shè)在意大利的Virgo探測(cè)器會(huì)發(fā)射出來(lái)回反彈的激光束，來(lái)測(cè)量光來(lái)回傳播所需的時(shí)間。正常傳播時(shí)間發(fā)生的任何微小變化，都可能是時(shí)空收縮或擴(kuò)張的結(jié)果。  ILLUSTRATION BY NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY/A. SIMONNET 2015年，這項(xiàng)探測(cè)取得首次成功，最終榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，大多數(shù)探測(cè)都指向成對(duì)的黑洞碰撞事件。天文學(xué)家也探測(cè)到了中子星碰撞產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。不過(guò)，GW190814事件與那些早期的碰撞并合事件不同，科學(xué)家們還在努力確定這起事件中所涉及到的兩個(gè)天體的真正性質(zhì)。  ILLUSTRATION BY SXS COLLABORATION 這次事件中，較重的天體顯然是黑洞，但較輕的天體是為數(shù)不多的位于中子星和黑洞之間質(zhì)量間隙的已知天體之一。在這個(gè)間隙的某個(gè)位置，物質(zhì)變得不穩(wěn)定，并坍縮成一個(gè)黑洞，中子星正好就在這個(gè)極限值的邊緣。 美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的Zaven Arzoumanian說(shuō)：“大自然給穩(wěn)定物質(zhì)的密度施加了限制。但我們不知道那個(gè)極限是什么，也不知道超過(guò)極限之后會(huì)發(fā)生什么。” 美國(guó)亞利桑那大學(xué)研究中子星的Feryal ?zel稱，觀測(cè)結(jié)果表明，中子星質(zhì)量的上限約為太陽(yáng)的2.1倍，且大多數(shù)接近1.4倍。雖然有觀測(cè)指出，存在質(zhì)量更重的中子星（約為太陽(yáng)質(zhì)量的2.5倍），但其數(shù)據(jù)還不夠可靠。而描述中子星內(nèi)部物理特性的理論，也很難界定當(dāng)中子星質(zhì)量膨脹得更大時(shí)，是什么阻止它坍縮。 從這個(gè)質(zhì)量間隙的另一邊來(lái)說(shuō)，目前觀測(cè)到的最輕的黑洞質(zhì)量大約為太陽(yáng)質(zhì)量的5倍。直至最近，天文學(xué)家?guī)缀鯖](méi)有發(fā)現(xiàn)任何介于2.1倍太陽(yáng)質(zhì)量與5倍太陽(yáng)質(zhì)量之間的天體。LIGO探測(cè)到的另一個(gè)天體，質(zhì)量約為太陽(yáng)的2.7倍，是兩顆中子星相撞的產(chǎn)物。  ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA 目前，尚不清楚這次并合事件中的黑洞是吞噬了另一個(gè)黑洞，還是吞噬了中子星。 ?zel說(shuō)：“如果最終證實(shí)那是一顆中子星，如果中子星的質(zhì)量能達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的2.6倍，那就真的成為了改變研究范式的先例?！?/p>
 ILLUSTRATION BY ROBIN DIENEL; COURTESY THE CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE 此外，兩個(gè)天體的質(zhì)量差異還掩蓋著一個(gè)潛在線索：如果黑洞的質(zhì)量再小一些，就有可能看到它把接近它的中子星扭曲并撕碎，而不是將它整個(gè)吞下。這種雜亂的并合過(guò)程，會(huì)在引力波中留下可識(shí)別的痕跡。
 即使不知道那顆天體究竟是什么，GW190814事件中涉及的兩個(gè)天體也特別引人注目，因?yàn)樗鼈儭?strong>很不相配”。LIGO和Virgo觀測(cè)到的大多數(shù)碰撞事件里，成對(duì)的天體質(zhì)量上都相對(duì)接近，但在GW190814事件中的黑洞質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的23倍，幾乎是另一天體的9倍。  ILLUSTRATION BY NICOLE R. FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION 這個(gè)系統(tǒng)的不對(duì)稱性，使得科學(xué)家很難解釋它的起源和環(huán)境。例如，在古老的球狀星團(tuán)（圍繞星系運(yùn)行的緊密恒星團(tuán)簇）中，一對(duì)致密的天體，其質(zhì)量預(yù)計(jì)會(huì)更加接近。在星系內(nèi)部，獨(dú)立演化的系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生不平衡的成對(duì)天體，但這些系統(tǒng)的碰撞頻率預(yù)計(jì)不會(huì)那么頻繁，不足以產(chǎn)生這樣的觀測(cè)結(jié)果。 該團(tuán)隊(duì)正在考慮更奇特的形成場(chǎng)景，比如多個(gè)并合系統(tǒng)、松散結(jié)合的星團(tuán)以及天體深陷在圍繞超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(pán)中等等。 但是，正如宇宙中存在著無(wú)限的可能一樣，它也蘊(yùn)含著許多未知。 Arzoumanian說(shuō)：“中子星的魅力在于，它們代表著物質(zhì)在引力坍縮中的最后一站。在中子星發(fā)生內(nèi)爆并坍縮到自身的事件視界之內(nèi)、永遠(yuǎn)無(wú)法被再次看到之前，物質(zhì)所能達(dá)到的最高穩(wěn)定密度究竟是多少呢？” 盡管還有許多宇宙奧秘?zé)o法解答，但可以肯定的是，我們對(duì)宇宙的探知不會(huì)停止。不如來(lái)大開(kāi)一下腦洞，假設(shè)我們掉進(jìn)了黑洞會(huì)看到什么？又會(huì)發(fā)生什么？ |
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