认识一下GW190521-记录簿上的黑洞合并

LIGO和处女座的合作从另一次黑洞合并中捕捉到了一个引力波信号-这是一个被记录在案的信号。

这次合并是迄今为止合作探测到的规模最大、距离最远的一次合并，其信号在到达地球之前穿越宇宙10亿年。这次合并也产生了到目前为止探测到的能量最强的信号，在数据中显示出比通常的啁啾更大的能量信号。合并产生的新黑洞在中等质量(大约是太阳的150倍)方面是所有黑洞中最罕见的，这使其成为第一次直接观测到中等质量的黑洞。

西北大学的克里斯托弗·贝里说，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。它们是房间里百万头太阳质量的大象。它们是从恒星质量的黑洞中生长出来的，黑洞是在恒星坍塌时诞生的，还是通过一种未被发现的方式诞生的？长期以来，我们一直在寻找中等质量的黑洞，以弥合恒星质量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。

这项名为GW190521的最新发现的细节出现在今天发表在《物理评论快报》和《天体物理学杂志快报》上的两篇同时发表的论文中。前者详细介绍了引力波信号的发现，而后者讨论了该信号的物理特性及其天体物理意义。

LIGO通过激光干涉术探测引力波，使用高功率激光测量相距几公里的两个物体之间距离的微小变化。(LIGO在华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿都有探测器。意大利的第三个探测器高级处女座(Advanced Virgo)于2016年上线。)。2015年9月14日，美国东部时间上午5点51分，两个探测器首次在毫秒内接收到信号-这是两个黑洞相互螺旋状向内旋转并合并成大规模碰撞事件的直接证据，这一事件在时空中发出了强大的冲击波。

LIGO进行了升级，自那以来又进行了两次运行，并于2019年4月1日开始第三次运行。在一个月内，合作小组又探测到了五个引力波事件：三个来自合并的黑洞，一个来自中子星合并，另一个可能是中子星/黑洞合并的第一个实例。(对于LIGO的铁杆粉丝来说，现在有一款iPhone应用程序可以让你关注活动公告，安卓版本正在开发中。)。

最近，在2020年6月，合作宣布在2019年5月21日检测到二元黑洞合并(指定为S190521g)。这个双星系统可能是在星系中心一个超大质量黑洞周围的吸积盘中形成的。这也可能是第一个证据表明，在可能存在不寻常的条件下，这样的合并可能会产生随之而来的光线爆炸。

关于一个新的候选事件的谣言从去年开始传播，有一个信号表明比之前探测到的黑洞合并规模要大得多。这些传言现在得到了证实。2019年5月21日，合作的探测器捕捉到了双星黑洞合并的信号：四次短暂的摆动持续时间不到十分之一秒。信号越短，正在合并的黑洞质量就越大-在这种情况下，分别为85个和66个太阳质量。两个黑洞合并形成了一个新的、更大的黑洞，大约有142个太阳质量，在这个过程中发出了相当于8个太阳质量的能量-因此探测器接收到了强大的信号。

这次事件的不同寻常之处在于，142个太阳质量正好落在所谓的黑洞质量鸿沟的中间。大多数这样的天体分为两类：恒星质量的黑洞(从几个太阳质量到几十个太阳质量)和超大质量黑洞，比如我们银河系中部的那个(从数十万到数十亿太阳质量)。前者是大质量恒星在核心塌陷超新星中死亡的结果，而后者的形成过程仍然是一个谜。

其中一个前身黑洞的重量为85个太阳质量的事实也是非常不寻常的，因为这与目前的恒星演化模型不一致。那些在65到135个太阳质量之间产生黑洞的恒星不会变成超新星，因此也不会最终变成黑洞。相反，这样的恒星会变得不稳定，并从它们的质量中剥离出相当大的一块。只有到那时，它们才会变成超新星--但结果将是一个小于65个太阳质量的黑洞。

“根据我们对恒星年龄和演化的理解，我们预计会发现质量小于65个太阳质量或超过120个太阳质量的黑洞，但没有介于两者之间的黑洞，”汉诺威AEI的独立马普研究小组负责人弗兰克·奥梅(Frank Ohme)说。“GW190521起源系统中质量为85个太阳质量的黑洞正好落在它不应该存在的空隙中。这可能意味着两件事：我们对恒星进化的理解是不完整的，或者这里发生了一些不同的事情。“。

目前支持的解释是，这是一个所谓的分级合并的例子，意思是说，这两个前身黑洞在找到对方并合并之前，各自都是前一次合并的结果。这种情况意味着附近有足够的其他黑洞可以进行多次合并。然而，贝瑞说，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，将黑洞嵌入它可以吞噬的厚厚的圆盘中，或者是大爆炸后创造的原始黑洞。贝里个人倾向于分层合并的方案。但到目前为止，证据并不确凿。

物理学家可能会从可能的相应电磁数据中获得额外的线索。兹维基瞬变设施(ZTF)在来自同一天空区域的引力波信号35天后探测到了一次耀斑。纽约石溪大学(Stony Brook University)的罗莎巴·佩尔纳(Rosalba Perna)在附带的观点中写道，这场耀斑可能是由黑洞环境中的气体产生的，黑洞环境中的气体受到合并引发的冲击波的加热，纽约石溪大学的罗莎巴·佩尔纳(Rosalba Perna)在附带的观点中写道。如果耀斑和合并之间的联系是真的，那么合并发生在活动星系核的盘中。在这种有利于产生质量超过50个太阳质量的多代黑洞的环境中，在质量间隙内出现黑洞并不令人惊讶。

那么，合作的下一步是什么呢？LIGO-处女座的科学家已经从现已完成的第三次运行中确定了56个可能的引力波探测(候选事件)，其中只有4个已经得到确认并公开宣布(包括今天的宣布)。对剩下的52名候选人的分析正在进行中，所以合作很可能会在未来宣布更多的发现。任何额外的发现都应该有助于更多地阐明GW190521提出的许多问题。

汉诺威AEI研究所所长、汉诺威莱布尼兹大学引力物理研究所所长卡尔斯滕·丹兹曼(Karsten Danzmann)说，“我们还不知道GW190521是一类全新的双星黑洞，还是我们迄今看到的源光谱中的高端黑洞。”“很快，当我们分析了LIGO和处女座在第三次观测中看到的所有二元黑洞合并后，我们可能会知道更多。”

除了计划对LIGO(LIGO-旅行者)和处女座进行升级-物理学家预计这将使探测率提高8倍-合作还在继续扩大其在全球的覆盖范围。在日本，KAGRA现在已经上线，它是亚洲第一个引力波探测器，也是第一个建造在地下的引力波探测器。LIGO-India的建设于今年早些时候开始，物理学家预计它将在2025年之后的某个时候启动。

宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)的B.S.萨蒂亚普拉卡什(B.S.Sathyaprakash)和麻省理工学院(MIT)的马修·埃文斯(Matthew Evans)在随附的评论中指出，更多的设施也有助于精确定位引力波发出的确切地点。随着KAGRA和LIGO-India的启动和运行，研究人员可以记录到五次撞击-同样的波浪会使所有五个探测器变形。这将使天文学家能够更容易地观察到与传统望远镜的合并，将他们需要测量的天空面积减少到原来的1/4。

由N.Fischer、H.Pfeiffer、A.Buonanno(马克斯·普朗克引力物理研究所)提供的列表图像，模拟极端时空(SXS)协作