LIGO和处女座捕获了迄今为止最大质量的黑洞

这一警报立即引起了苏珊娜·马尔卡的注意。每当总部设在美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)及其欧洲同行Virgo探测到潜在的引力波事件时，就会迅速向合作成员发送自动通知。

在2019年5月21日收到这样一次活动的通知后不久，哥伦比亚大学的天体物理学家马尔卡就在团队的内部松弛频道上，向她的丈夫、也在哥伦比亚大学LIGO小组工作的斯博尔斯·马尔卡和佛罗里达大学的伊姆雷·巴托斯发送了一条兴奋的信息。

“这一次非常特别，”苏珊娜·马尔卡回忆道。“我立刻注意到(这件事)牵涉到大量群众。”

来自LIGO-Virgo仪器的细节表明，他们已经捕捉到了两个巨大的黑洞相互旋转并合并成约170亿光年外的单一实体的信号。祖先利维坦的重量分别约为太阳质量的85倍和66倍，这是该设施迄今检测到的最重的一对。随后的黑洞达到了惊人的142个太阳质量。

打破记录并不是科学界欢欣鼓舞的唯一原因。LIGO和Virgo使用超灵敏的量子力学传感器来识别宇宙大灾难产生的时空结构中的涟漪，以前从未在100到1000个太阳质量之间的“中间”范围内发现过黑洞。天文学家以前没有看到过这样的黑洞的明确例子-甚至不确定它们是如何产生的。

但在LIGO-Virgo数据中，隐藏着这些重量级天体形成环境的诱人线索，为研究人员提供了他们对这个物体的最好的现实世界观察，直到现在，这个物体基本上都是理论上的。该领域的人知道，这一发现是即将发生的事情的先兆，他们期待着很快会有更多这样的信号可供分析。

耶鲁大学天体物理学家普里亚姆瓦达·纳塔拉扬(Priyamvada Natarajan)研究黑洞形成，但没有参与这项工作，他说：“我认为这是一个门槛事件--这只是冰山一角。”“我太兴奋了。”

黑洞通常产生于一颗大质量恒星的死亡，在一次壮观的超新星爆炸中结束了它的生命。当恒星解体时，其致密的核心塌陷成一个如此紧凑和沉重的物体，以至于即使是光也无法逃脱它的引力-黑洞。原始恒星的质量越大，其后续残留物的质量也就越大，至少在某个时间点是这样。

一颗质量大于太阳130倍的极重恒星的临终之痛，包括一个额外的扭曲。温度在其核心变得如此之热，以至于光子开始产生成对的电子和它们的反粒子，即正电子。这一变化导致光子施加的向外“辐射压力”下降，导致庞大的外层向内塌陷，其凶猛程度足以使整个核心在足以毁灭恒星的热核爆炸中引爆。在恒星毁灭之后，不能留下任何黑洞遗迹，这导致了黑洞大小的理论上限：大约65个太阳质量。

问题是，研究人员知道，几乎每个已知的大星系的中心都潜伏着数百万到数十亿倍于太阳质量的黑洞。那么这些怪物到底是从哪里来的呢？

许多恒星与附近的恒星伴星一起形成，这两颗恒星将在他们的一生中围绕对方运行。如果这两颗恒星都是大质量恒星，它们可能会在大致相同的时间爆炸，留下两个黑洞。这些黑洞可以通过引力相互吸引，并慢慢向彼此螺旋状移动，它们的最终合并将发出丰富的引力波，以光速向四面八方行进。LIGO-Virgo的建造部分是为了捕捉这样的信号，到目前为止，合作的仪器已经看到了10多次这样的合并，每一次都涉及大约5到50倍太阳质量的黑洞。

但如果两个黑洞可以合并，那么产生的实体可能会找到另一个黑洞，并重复这一过程。“它就像一台小型装配机，”Szbolcs Márka说。“你拿一个黑洞合并，再做一个更大的黑洞合并。”这种所谓的分层合并之前已经被理论化，但到目前为止，从未见过。

虽然2019年5月21日的事件，被标记为GW190521，点亮了LIGO-处女座的传感器不到十分之一秒，但它包含了关于合并的黑洞对的诱人信息。具体地说，探测器发现每个黑洞都像一个巨大的顶部一样旋转，LIGO-Virgo之前只在一次黑洞合并中看到过这一特性。仅此一项观测就使GW190521的黑洞不同寻常。但研究人员更感兴趣的是，他们的自旋没有对齐-这是一个迹象，表明这些致密物体认识彼此的时间并不长。

当两颗恒星形成两个黑洞时，引力起到了协调力的作用，使每个实体与其伙伴保持一致。这两个黑洞的自转方向都应该与它们围绕对方的轨道路径相同，就像月球围绕自己的轴在与绕地球公转的方向相同的方向上自转一样。GW190521巨大黑洞的错位旋转暗示，在它们合并之前，引力没有太多的时间来发挥它的协调魔力。这一想法表明，它们最初并不是一起形成的，而是生活在一个布满其他黑洞的环境中。

“有一种特殊的地方可以发生这种情况，”巴托斯说。“这是在星系的中心，较小的黑洞往往聚集在超大质量黑洞附近。”

潜伏的超大质量黑洞使银河系中心有点像井底。其他较重的物体，如恒星质量的黑洞，将沿着其强大吸引力的方向坠落。由于GW190521发生在如此遥远的地方，它来自于宇宙只有现在年龄的一半的时代，在那个时代，许多星系都在熊熊燃烧，因为它们的中心超大质量黑洞正在大力消耗气体和尘埃，并释放出能量。这种旋转的活动星系核(AGN)，正如它们所知，将是混乱的热点，在那里，较小的黑洞可能会遇到新的伙伴并合并，这解释了新的LIGO-室女座事件。

虽然不能保证GW190521会出现这样的情况，但很多证据都指向这个方向。巴托斯说，尽管不能排除这个超大的黑洞是由某种奇异的未知过程形成的，但这对中质量较重的物体(85个太阳质量)甚至有可能是由之前的合并形成的。“这是这个领域的优点之一，也是难点之一，”他补充道。“我们正在与非常遥远的复杂系统合作。”研究小组的发现今天发表在“物理评论快报”和“天体物理学杂志快报”上的两篇论文上。

纳塔拉扬一直在研究形成质量为太阳100到100万倍的黑洞的模型，他说这些结果令人兴奋，因为“它们直接给了你通往超大质量黑洞的垫脚石。”她补充说，天文学家知道超大质量黑洞肯定已经经历了这样一个中期阶段，但到目前为止，这一阶段的证据一直难以捉摸。

由于持续的新冠肺炎大流行，处女座的设施目前处于关闭状态。然而，一旦仪器重新上线，研究人员急切地想看看他们是否会在这个中等质量范围内发现更多涉及黑洞的事件。花了这么长时间才看到这些首批结果的事实表明，这样的合并在某种程度上是罕见的，尽管不是非常罕见。对天文台的升级应该会让科学家们对合并事件之前的时刻有一个更清晰的看法，有助于确定它们是发生在活动星系核还是在某些不同的环境中。

特别有用的数据可能来自其他望远镜，每当它们收到LIGO-Virgo警报时，就会寻找闪光。研究引力波事件的光学、紫外线或红外对应物，给天文学家提供了多条途径来理解它们的细节。就在2019年5月探测到后不久，加利福尼亚州帕洛马天文台的Zwicky瞬态设备在一个遥远的AGN附近发现了一个光学闪烁，但目前尚不清楚这两个结果是否相关。

然而，这一领域的人很高兴能站在这个转折点上。尽管GW190521将作为第一个明确发现的中间黑洞载入史册，但研究人员相信，他们很快就会有大量的其他例子可供学习。

“从现在开始，我们有经纪人在教我们一些我们用其他任何方式都达不到的东西，”Szbolcs Márka说。在此之前，这一切都是一场梦。现在它成了一种可以检验的理论。“