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( 三 )
中等质量黑洞之谜
那么有报道说“不可能质量”黑洞被发现到底是怎么回事呢？这里所谓的“不可能质量”黑洞是指，在中等质量黑洞范围内处于质量低端的那一部分（见上图），存在一个“不可能”的黑洞质量缺口。简单来讲，就是大致处于某一特定质量范围内的恒星核，当恒星中心温度足够高时，由于星体中心正负电子对不稳定性（Pair-instability，简称“PI”）的作用，恒星（对不稳定超新星）最后会发生剧烈高能量核爆炸，炸碎整个星体，从而不能形成一定质量范围内的黑洞。另有所谓恒星内部脉动性正负电子对不稳定性（Pulsational pair-instability，简称“PPI”），引发五花八门的超新星爆炸形式，但最后形成残余物的质量小于约65倍太阳质量。
早在上世纪60年代初，著名的英国天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）和美国核物理学家威廉·福勒（William Fowler，福勒与钱德拉塞卡共享1983年诺贝尔物理学奖）提出如果超大质量恒星（质量可高达1亿倍太阳质量）内部温度高到一定程度，其电磁辐射场中的高能γ光子可以转化生成正负电子对（electron-positron pair），因而高能γ光子数目锐减，导致光子气体所产生的辐射压降低，不足以抵抗向内的强大引力，超大质量恒星的内核就变得不稳定了，也就是所谓的PI。补充说一句，时至今日人们依然在寻找超大质量恒星的证据。
多年后，美国天体物理学家S. E. Woosley进一步约束了条件，他根据恒星模型的数值模拟结果提出，如果恒星中心的氦核质量稍小，32到64倍太阳质量（并不是指恒星初期的质量），可能会出现PPI。PPI的大致意思是说，恒星内部因为产生正负电子对而收缩后，再发生热核反应，释放了更多γ射线，相当于辐射压再次提高，就像又往外“拱”了一下。而γ光子还会再成为正负电子对，这样反复径向振荡若干次，因此称之为脉动性的（Pulsational）。之后恒星可能形成新的平衡态，最终成为核塌缩超新星（core-collapse supernova，简称“CCSN”），留下物质变成致密的天体——很可能是黑洞，或是直接爆炸，物质抛向宇宙，但中心残存物的质量小于约65倍太阳质量。
PI和PPI的出现与恒星质量有关。如果恒星中心氦核质量更大，达到64到135倍太阳质量，就直接出现PI，此时塌缩引发的热核反应猛烈，所有物质都灰飞烟灭，整个星体被炸碎，因此也就不能在中心形成黑洞。如果氦核质量更大，PI引发的引力塌缩所释放的核能量不够高，也就无法逆转中心坍塌，依然导致黑洞的形成。由此模型推论就出现了一个在65-133倍太阳质量的黑洞质量缺口。
应该指出，界定黑洞质量缺口的界限依赖许多因素，不同的超新星爆炸模型、恒星金属丰度、星风、中微子、恒星旋转都会影响这一过程，所以数值并不很确切，这里给出一个大致数量级。LIGO-Virgo合作团队的研究人员选择了较为普遍采用的数值，姑且可以认为基于目前大量恒星模型的数值模拟，这一范围质量的黑洞不太可能由一大类常用模型恒星直接坍缩形成。
文章插图
（正负电子）对不稳定超新星（爆炸）的工作机制恒星越大，爆炸越强
1.在极为巨大的恒星中，引力的挤压（向内）在某种程度上与来自星体核心光子（气体）的压力（向外）保持平衡
2.在足够高的能量下，光子自发地转化成正负电子，压力降低。(星体) 核心收缩。
3.一个更小、更致密的核心产生了更大的引力。这些增加的引力使恒星核心被挤压得更紧密。更多的光子转化成了正负电子对，核心持续收缩，全面失控一触即发。
4.核心变得非常炽热，更加致密，当核心内的氧离子突然聚熔在一起，释放出巨大的能量。
5.这颗恒星最终爆炸完全粉碎，什么东西都不会留下，也更不会形成黑洞。图源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
就验证而言，Woosley等人提出的理论结果似乎不与过去看到的某些观测现象相悖。2007年天文学家发现了第一颗对不稳定超新星（PI supernova）SN2007bi，其核心约100倍太阳质量，爆发后将22倍太阳质量的物质抛向了星际，爆发的规模是普通超新星爆发的数百倍。此外，脉动对不稳定超新星（PPI supernova）也有一些可能的潜在候选者。（但中心是否有黑洞，观测上可能不容易确定。相关内容可参见《史上最高能超新星被发现，是搜寻已久的神秘类型超新星吗？》）所以在中等质量黑洞的低端部分，存在缺失的一环是一大类模型恒星的数值模拟结果，陈述较为清晰。
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