一个大到“不应该存在”的黑洞

黑洞物理学家一直在兴奋地讨论有关LIGO和室女座引力波探测器最近接收到一个出人意料的巨大黑洞信号的报道，这个黑洞的质量被认为是物理上不可能的。

加州大学圣克鲁斯分校的天体物理学家斯坦·伍斯利(Stan Woosley)在一封电子邮件中写道，在这个质量范围内，“预测不会有黑洞，甚至不会有几个”。“但我们当然知道，大自然总能找到办法。”

广达联系的七位专家表示，他们听说，自4月份以来，LIGO和处女座探测到的22次引力波中，有一次信号来自一次碰撞，涉及一个质量出乎意料的黑洞-据称重量相当于100个太阳。LIGO/处女座团队成员既不证实也不否认传言中的探测。

[更新版：2020年9月2日，研究人员证实，碰撞的黑洞质量分别是太阳的65倍和85倍。由此产生的黑洞质量是太阳的150倍。]。

华沙大学天体物理学家克里斯·贝尔钦斯基(Chris Belczynski)此前认为，如此大的样本不会被看到，以至于2017年他与同事打赌。“我认为我们即将输掉这场赌局，”贝尔琴斯基说，“为了科学的利益！”

贝尔琴斯基以前的自信来自于这样一个事实，即这么大的黑洞不可能以通常的方式形成。

黑洞是一种密度高、充满矛盾的球体，它的引力捕获了一切，甚至包括来自燃料耗尽恒星收缩核心的光形态。但在1967年，耶路撒冷希伯来大学的三位物理学家意识到，当垂死恒星的核心非常重时，它不会因引力而塌缩成黑洞。相反，这颗恒星将经历一场“对不稳定超新星”，这种爆炸会在几秒钟内将其完全消灭，不会留下任何东西。这三位物理学家写道：“这颗恒星完全分散到了太空中。”

当核心变得非常热，以至于光开始自发地转换成电子-正电子对时，就会发生对不稳定超新星。光线的辐射压力保持了恒星核心的完好无损；当光线转化为物质时，由此产生的压力下降导致核心迅速收缩并变得更热，进一步加速了配对的产生，并造成了失控的效应。最终，核心变得如此之热，以至于氧气被点燃。这完全逆转了核心的内爆，因此它反而会爆炸。对于质量约为太阳的65到130倍的核心(根据目前的估计)，恒星将被完全湮灭。大约50到65个太阳质量之间的核心脉动，在一系列爆炸中脱落质量，直到它们降到发生对不稳定的范围以下。因此，应该不存在质量在50到130太阳质量范围内的黑洞。

“这个预测来自直接的计算，”伍斯利说，他在2002年对这种“对不稳定质量间隙”的研究被认为是确凿的。

黑洞可以存在于质量缺口的另一边，重量超过130个太阳质量，因为如此沉重的恒星核心的失控内爆无法阻止，即使是氧气聚变也无法阻止；相反，它们会继续坍塌并形成黑洞。但是，因为恒星在它们的一生中都会失去质量，所以一颗重量至少为300个太阳的恒星需要诞生，才能最终形成一个130个太阳质量的核心，而这样的庞然大物是罕见的。出于这个原因，大多数专家认为LIGO和处女座探测到的黑洞最大质量应该在50个太阳质量左右，这是质量差距的下端。(锚定星系中心的百万太阳质量的超大质量黑洞在早期宇宙中形成的方式不同，而且相当神秘。LIGO和处女座不具备探测超大质量黑洞碰撞的机械能力。)。

尽管如此，一些专家确实大胆预测，质量间隙中的黑洞将被看到-因此才有了2017年的押注。

同年2月，在阿斯彭物理中心的一次会议上，芝加哥大学的Belczynski和Daniel Holz打赌“由于黑洞对的不稳定性，在55到130个太阳质量之间的质量范围内不应该存在黑洞”，因此在LIGO/Virgo的前100个信号中不会检测到任何一个。伍斯利后来与贝尔琴斯基和霍尔茨共同签署了协议。

但麻省理工学院的卡尔·罗德里格斯(Carl Rodriguez)和印度孟买塔塔基础研究所(Tata Institute For Foundation Research)的索拉夫·查特吉(Sourav Chatterjee)，以及西北大学(Northwest University)的弗雷德·拉西奥(Fred Rasio)后来加入了他们的行列，他们押注在质量缺口中确实会检测到黑洞，因为这些大尺寸黑洞的形成有一条迂回的途径。

虽然LIGO和处女座仪器的大部分碰撞黑洞可能起源于孤立的恒星对(双星系统在宇宙中很常见)，但罗德里格斯和他的联合签名人认为，检测到的碰撞中的一小部分发生在致密的恒星环境中，如球状星团。黑洞在彼此的引力作用下相互摆动，有时它们会互相抓住并合并，就像池塘里的大鱼吞噬小鱼一样。

例如，在球状星团内部，一个50个太阳质量的黑洞可以与一个30个太阳质量的黑洞合并，然后产生的巨型黑洞可能会再次合并。这种第二代合并可能是LIGO/处女座可能已经察觉到的-在池塘里幸运地钓到了大鱼。“这真的只能在星团中发生，”罗德里格斯说。如果传言属实，他、Chatterjee和Rasio将分别从Belczynski、Holz和Woosley那里获得一瓶100美元的葡萄酒。

但是，这个假定的大黑洞还有其他可能的起源故事。也许它是从一个孤立的双星系统开始的。在第一颗恒星坍塌成黑洞后，它可能是通过剥离伴星上的物质而生长的。后来，第二颗恒星也坍塌了，然后最终两颗恒星会碰撞并合并，发出引力波在时空结构中级联。