pi 70亿光年外传来超级大爆炸，8颗太阳质量瞬间消失，细节令科学家困惑
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近日，LIGO-Virgo引力波探测国际合作组宣布发现了至今最强的黑洞碰撞，由85倍太阳质量和66倍太阳质量的两个黑洞环绕并合成为了一个142倍太阳质量的黑洞，其中质量差约8倍的太阳质量转化为能量巨大的引力波在时空中传播。论文一经上线，迅速引起业界高度关注和热议，因其涉及所谓“不可能质量”黑洞的问题。但这一黑洞质量“禁区”真的存在吗？这又一定是双黑洞并合吗？中等质量黑洞都存在于哪里？
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划重点撰文 | 刘辛味（《返朴》高级采访人员）、楼宇庆（清华大学物理系教授）
2020年9月2日，LIGO-Virgo引力波天文台合作团队正式发表了一年多来的研究分析结果——他们发现了两个黑洞环绕并合为142倍太阳质量黑洞的引力波事件（GW190521，即2019年5月21日发现的引力波事件，以下其他事件命名模式同此类推），这两个黑洞的质量分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量。这是目前该引力波天文台探测到的最大质量黑洞并合事件，被认为首次发现了中等质量黑洞的实体存在。更令一些科学家兴奋激动又同时不解的是，新的发现处于所谓黑洞质量范围的“缺口”（或称“断档”、“禁区”），对天体物理过程中这类黑洞的形成理论模型和物理图像再次发出挑战。
GW190521双黑洞环绕并合的数值模拟演示环绕和并合，释放引力波。丨来源：N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration【相关视频请前往“返朴”公众号查看】
黑洞的形成与种类
自2016年首次公布探测到双黑洞并合产生的引力波事件（GW150914），以及2019年4月公布的M87星系中心的“超大质量黑洞照片”等一系列新发现以来，黑洞与引力波的研究不仅成为天文领域的热点，也引燃了公众科普的狂欢。不过，随着被发表的引力波事件信号越来越多，双黑洞并合或者更为少见的双中子星并合等事件似已不足为奇。事实上，LIGO与Virgo的国际合作团队至今已经正式发表了探测到的15次引力波事件，仅仅发现新的双黑洞并合事件也就不算非常新鲜的事了，而本次公布的142倍太阳质量的黑洞则让一些天文学家感到不可思议，再次引发科学界和大众媒体热议，这又是为何？
核心问题在于142倍太阳质量的黑洞，以及并合前形成它的85倍太阳质量的黑洞，并不在目前某些所谓主流的黑洞形成理论之中。也就是说，这个质量范围内的黑洞是如何从宇宙时空中冒出来的，似乎没有像样的天体物理故事。
黑洞相关理论已经提出超过百年。1915年爱因斯坦发表广义相对论后不到一年，德国天体物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）就从广义相对论中推导出了今天称之为球对称黑洞的数学解，一个黑洞的半径为2GM/c2（G是万有引力常数，M是黑洞质量，c是真空中的光速）。有必要补充一点，荷兰物理学家Johannes Droste在史瓦西几个月后独立地得到了黑洞球对称解，其数学推导比史瓦西的更简洁。他是著名物理学家洛伦兹（Hendrik A. Lorentz）的学生。直到1963年，29岁的新西兰数学物理学家克尔（Roy Patrick Kerr）进一步从广义相对论中推导出轴对称的旋转黑洞解。几十年来，天文学家基于不同的模型，采用不同的观测方法在宇宙时空中由远及近推测出众多大大小小的黑洞候选体，为它们分门别类，并探究它们可能的物理起源和形成途径。
在恒星演化模型中，黑洞可以由一颗大质量恒星死亡后引力塌缩而形成。当恒星自身的核聚变燃料逐渐耗尽，热核聚变反应产生向外的辐射压力和气体压力一起不足以抵抗永远向心的引力，该大质量恒星就会失稳向内迅猛引力塌缩，引发能量异乎寻常的超新星爆炸，最终在其中心只留下一个连光都逃逸不出的黑洞。
恒星演化的结果要考虑其初始质量，它们中心最终并非一定成为黑洞，大部分质量偏小的恒星的结局其实是白矮星或中子星。理论计算表明，最终要形成黑洞的大质量恒星的核心至少要在3到4倍太阳质量以上。这是因为目前理论估计的物质极其致密的中子星质量上限约为3倍太阳质量，质量再大则星体失稳，可以塌缩，也可以爆炸。
天文学家将已经发现的黑洞按它们的质量一般分为恒星级质量黑洞（Stellar mass black holes，简称“sMBHs”）、中等质量黑洞（Intermediate mass black holes，简称“IMBHs”）和超大质量黑洞（Supermassive black holes，简称“SMBHs”）三类（质量范围详见下图）。理论上还预言存在宇宙早期诞生的，尺度和质量极小的原初黑洞，以及近些年来提出的绝超质量黑洞（Hypermassive black holes，简称“HMBHs”），它们的质量范围涵盖10^ 10-10^ 12倍太阳质量甚至更大，可以在宇宙包括早期宇宙中的巨大物质库中动力塌缩形成，并且已有重要观测证据的支持。
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