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2019年3月 ， LIGO和Virgo引力波天文台探测到两个黑洞的合并 。 这两个黑洞的质量一个相当于85个太阳 ， 另一个相当于66个太阳 。 这次事件称为GW190521 ， 它是我们目前探测到的最大的一次黑洞合并 。 这两个黑洞合并成为一个相当于142个太阳质量的黑洞 ， 并成为用引力波探测到的第一个中等质量黑洞 。 然而 ， 这次事件也引发了许多问题 。
【引力波|这是迄今为止探测到的最极端引力波的奇异解释】其中最大的疑问是最初这两个黑洞的质量 。 基于恒星模型 ， 可以形成黑洞的坍缩的恒星的质量不会大于65个太阳 。 可能这两个黑洞中较小的那一个还勉强符合标准 ， 但较大的那一个黑洞的质量肯定超出了恒星模型模拟出的结果范围 。 那么 ， 相当于85个太阳质量的黑洞是怎么形成的呢？
一种观点是它是由较小的合并所形成的 。 如果有一个包含4到6个黑洞的封闭系统 ， 随着时间的推移 ， 他们可能会合并形成单颗大黑洞 。 但是这个黑洞团簇也必须使这个质量为66个太阳的黑洞进入轨道 ， 以制造这个GW190521合并 。 有证据表明黑洞团簇有可能存在 ， 但是并不清楚他们是否能够合并得足够快以解释GW190521的形成 。 因此最近有一个团队提出了另一种方案 ， 他们提出GW190521不是两个黑洞的合并 ， 而是两颗玻色星的合并 。
观察到的合并事件GW190521 。 资料来源：R.Abbott等人（LIGO科学合作和Virgo合作）普罗卡星（Proca star） ， 或者有时被称为玻色星 ， 是一个类似于白矮星或中子星的假想天体 。 物质的组成部分有两种形式：费米子 ， 如电子和夸克；玻色子 ， 如胶子和希格斯 。 费米子抵抗占据相同的量子态 。 当引力试图把费米子挤在一起时 ， 它们会通过所谓的简并压力推回 ， 这种压力使白矮星和中子星不会在它们的重力作用下崩溃 。
玻色子占据相同的量子态没有问题 。 事实上 ， 如果你超冷玻色子 ， 它们可以形成一个被称为玻色爱因斯坦凝聚体的量子物体 。 正因为如此 ， 你可能认为引力将大量的玻色子坍缩成黑洞是没有问题的 。 但事实证明 ， 在强引力场中 ， 密度极高的玻色子的行为出乎意料 。 物理学是相当复杂的 ， 但最终的结果是玻色子恒星将达到一个像白矮星和中子星那样的引力对峙 。 假设 ， 玻色子星可能是引力稳定的 ， 就像白矮星和中子星一样 ， 甚至比他们更稳定 。 简并压力是有限制的 ， 也就是说 ， 白矮星不能大于1.4个太阳质量 ， 中子星可以大于2-3个太阳质量 。 如果条件合适 ， 玻色子恒星的质量很容易达到85个太阳或更多 。
如果通过EHT看到一颗玻色星就是这样的 。 资料来源：奥利瓦雷斯（Olivares）等 。 玻色子物质不能成为普罗卡星（Proca star） ， 但暗物质的某些理论提出了新的玻色子种类 。 如果暗物质是由低质量玻色子组成的 ， 它们就可以形成与黑洞大小和质量相似的物体 。 因为它们有很强的磁场（不像黑洞） ， 所以我们可以通过它们周围的光透镜来区分玻色星和黑洞 。 或者 ， 正如这项最新研究所提出的 ， 我们也许能够通过它们的引力波探测到它们 。
当研究小组查看GW190521事件的数据时 ， 他们发现这与黑洞合并和普罗卡星（Proca star）合并是一致的 。 这两个模型的数据相当吻合 。 由于普罗卡星的性质取决于组成它的玻色子的质量 ， 他们使用GW190521数据来测量玻色子的质量 。 他们得到的答案非常微小 。 大约是估计中微子质量的万亿分之一 。
这些都不能证明普罗卡星的存在 。 我们所观察到的所有引力波事件都可以用黑洞合并来解释 。 但这项研究为我们提供了有趣的想法 。 一种新的轻玻色子粒子可以帮助我们解释暗物质 ， 这些暗物质粒子可以形成玻色星 。 这是个奇怪的想法 ， 但我们还不能排除 。
相关知识
引力波是时空曲率中的扰动 ， 由加速质量产生 ， 以光速从源头向外传播 。 1905年亨利?庞加莱[1]提出了引力波 ， 随后阿尔伯特?爱因斯坦（Albert Einstein）在其广义相对论的基础上于1916年[2][3]预言了引力波 ， 引力波以引力辐射的形式传输能量 ， 这种辐射能的形式类似于电磁辐射 。 [6]作为经典力学的一部分 ， 牛顿万有引力定律下并没有引力波存在的依据 ， 因为这一定律是建立在物理相互作用瞬间（以无限速度）传播的假设之上的——这表明经典物理学的方法无法解释与相对论有关的现象 。
引力波存在的第一个间接证据来自观测到的Hulse–Taylor二元脉冲星的轨道衰变 ， 这与广义相对论预测的由于引力辐射而失去能量的衰变相吻合 。 1993年 ， Russell A.Hulse和Joseph Hooton Taylor Jr.因这一发现获得诺贝尔物理学奖 。 直到2015年 ， 利文斯顿和汉福德的LIGO引力波探测器接收到两个黑洞合并产生的信号 ， 才首次对引力波进行了直接观测 。 2017年诺贝尔物理学奖随后颁给雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什 ， 表彰他们在直接探测引力波方面所发挥的作用 。
作者：BRIAN KOBERLEIN
FY：Astronomical volunteer team
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