史上最大规模的黑洞合并,具体的过程是怎样的?

如题所述

第1个回答  2020-12-12

美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲处女座探测器探测到太空中惊人的一声“BANG”,惊人的发现开始揭开谜底。事实上,此次探测到的信号是两个黑洞碰撞合并的一个过程,在宇宙中这样的天体碰撞事件并不少见,但是这次的合并在天文史上,真的算得上是“前无古人”。



首先,这两个黑洞的合并是目前已知人类观察到的最大规模的黑洞合并,但是更为惊人的一点是,此次终于证实了中质量黑洞的存在。



困惑

最令科学家困惑的一点在于,这两个合并的黑洞最终形成的黑洞比想象中的质量要大,导致它们的质量落在一个间隙当中。从理论上来看,处在这个间隙中的恒星是不可能通过正常的坍塌方式而形成黑洞的。



恒星坍塌

当恒星核心中向外施加压力能够抵御向内的引力时,恒星处于一个非常稳定的状态,比如我们现阶段的太阳。但是随着大质量恒星的核心发生了核聚变产生了较重的元素之后,就无法再有足够强的压力来支持外层的引力。因此,当向外的压力小于了重力时,恒星就坍塌了,黑洞就形成了。



双不稳定质量差

但是对于质量较大的恒星来说,在坍塌的过程中有可能会出现“成对不稳定”的现象。当恒星内部核心的光子能量极大时,会变成一对电子和一对反电子,这些粒子产生的压力比光子小,因此会导致恒星在坍塌的过程中变得非常不稳定,产生非常强烈的爆炸,导致什么都留不下。比如,一个质量是200倍太阳的恒星会坍塌成质量是太阳120倍的恒星。



按照恒星坍塌的理论来说,一颗恒星是不可能坍塌成太阳质量65倍~120倍的黑洞的。这个范围被称为“双不稳定质量差”。

黑洞合并

研究的模型认为两个合并的黑洞质量分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量,形成了一个142倍太阳质量的黑洞,剩下的质量都被转化为了引力波的能量。



我们常听到质量是太阳100倍以下的恒星质量黑洞,还有质量是太阳10万倍的超大质量黑洞,但是位于这个区间的黑洞却一直没有被发现。虽然科学家一直认为中等质量的黑洞对于超大质量黑洞的形成有非常关键的作用,但是一直都没有发现到直接的证据。



因此,此次发现可算是板上钉钉的证据了,这个142倍太阳质量的黑洞证明了中等质量黑洞的存在。这是人类史上第一次在这个质量间隙中发现的黑洞。

奇怪的黑洞质量

实际上原始两个黑洞的质量也是处于一个比较奇怪的区间,因为它们仍比传统的恒星级黑洞大很多,因此不太有可能是直接由恒星坍塌而形成的。66倍太阳质量的黑洞还好,尚且处于一个临界点;但是85倍太阳质量的黑洞则在理论上来看很难是由恒星坍塌而成的。



多代黑洞

科学家认为宇宙中的超大质量级的黑洞很有可能都是“多代”产生的,也就是说多个较小质量的黑洞合并之后产生了质量更大的黑洞。

星系一般来说都是被致密的恒星团所包围的,这些星系中含有成千上万颗古老的恒星,是黑洞理想的产生地。当黑洞向球状星团的中心下沉时,它们更有可能与其他黑洞合并。这种滋生模式是非常特定的,因此人类到现在才发现这个现象。




当星系团中含有不同质量的黑洞时,不对称的合并会产生巨大的爆炸,从而以高速将黑洞踢出原有的星团中,因此星团成为了这种质量间隙黑洞的温床。

小结:

我们常听到恒星级黑洞和超大质量黑洞,但是质量处于中间的中等质量黑洞却很少被提起。事实上,之前这种黑洞的存在是理论意义上的,一直都没有被科学发现所证实。

最近科学家通过引力波探测到了太空中有两个黑洞的合并,这两个黑洞的大小分别为88倍和65倍太阳质量,合并成了一个142倍太阳质量的黑洞,并产生8倍太阳质量的引力波能量。



这个发现之所以引起轩然大波是因为,人类尚未探测到中等质量的黑洞。而且原始的这两个黑洞的质量也处于“双不稳定质量差”,也就是说这个黑洞绝不可能是由恒星坍塌所形成的。科学家认为中等质量黑洞和大质量黑洞很有可能都是由“多代合并”所形成的。

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