【菜科解读】

2023年11月23日，LIGO–Virgo–KAGRA合作组利用引力波探测器，观测到了一个极端的引力波信号GW231123——这是由两个大质量黑洞在约70亿光年之外并合产生的引力波。

引人注目的是，这两个黑洞都表现出了非常极端的物理性质：其质量分别为约137倍和约103倍太阳质量，并且有着异常高的自旋——这令天文十分困惑，因为按照现有理论，这样的黑洞本应不存在。

如今，在一项新发表于《天体物理学报通信》的研究中，一个天文学家团队通过对母恒星“从生到死”的过程进行全程模拟，他们找到了此前研究忽略的关键因素——磁场。

匪夷所思的存在

大质量恒星在生命末期会产生超新星爆发，其核心会坍缩成黑洞。

但如果恒星处在某一特定质量范围内，就会发生一种特殊类型的超新星——“对不稳定超新星”，这种爆炸极为猛烈，会把整个恒星彻底摧毁，不留下任何残余物。

因此，天文学家一直认为，不会出现质量在约70到140倍太阳质量之间的黑洞。

所以，当他们在GW231123事件中发现了处于这个“质量空隙”内的黑洞时，感到非常不解。

不过，这个质量空隙内的黑洞可以通过“间接方式”形成，例如两个黑洞并合成一个更大的黑洞。

然而，科学家认为这种情况对GW231123来说并不成立。

这是因为黑洞并合是极其混乱的过程，往往会扰乱最终黑洞的自旋。

而GW231123的两个黑洞却有着非常高的自旋，它们以接近光速的速度拖拽周围的时空——拥有如此质量和自旋的两个黑洞几乎不可能自然形成。

因此，GW231123对传统的黑洞形成机制提出了挑战。

天文学家认为，一定存在其他机制来解释GW231123的情况。

磁场扮演关键角色

在新的研究中，研究人员对两个阶段进行了计算机模拟。

首先，他们模拟了一颗质量为太阳250倍的巨星，从氢燃烧开始一直到燃料耗尽并坍缩成超新星。

当到达超新星阶段时，这样的大质量恒星已经消耗掉大量燃料，质量下降到约150个太阳质量，刚好位于质量空隙之上，并足以形成黑洞。

第二组模拟则更为复杂，他们将磁场纳入了考量，研究了超新星爆发之后的演化。

过往的研究往往将磁场一笔带过，而这次的模型则是从超新星遗迹开始，这是一团掺杂着磁场的恒星物质云，其中心是新生黑洞。

过去天文学家通常假设，这团云中的全部物质最终会落入黑洞，使黑洞的最终质量与其母星接近。

但新的模拟结果显示，情况并非如此。

展示了一颗大质量恒星坍缩形成黑洞的各个阶段。

（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

如果黑洞是由一颗不旋转的恒星坍缩形成的，那么剩余的物质云的确会迅速落入黑洞；

但如果这颗恒星原本自转得很快，那么这团物质就会形成一个旋转的吸积盘，导致黑洞随着吸积而转得越来越快。

而此时，如果还有磁场存在，那么它们会对这一吸积盘施加压力，这种压力足以把部分物质以接近光速喷射出去。

这些外向流最终会减少盘中能够落入黑洞的物质量。

磁场越强，这一效应越明显——在磁场极强的情况下，多达一半的母星质量都可能被喷出物抛射出去。

而在GW231123的模拟中，这种磁场刚好能使最终形成的黑洞质量正好处于质量空隙范围之中。

有待进一步验证

这些结果暗示着，黑洞的质量与其自旋速度之间可能存在联系。

强磁场会减缓黑洞自旋，并带走部分恒星质量，从而形成更轻、转得更慢的黑洞；

而弱磁场则会使黑洞更重、且自旋更快。

这意味着黑洞可能遵循某种“质量-自旋模式”。

尽管目前尚无其他系统可用来直接检验这一联系，但研究人员希望未来的观测能够找到类似系统，以便验证这一推测。

模拟还显示，这类黑洞的形成会产生伽马射线暴，可能具有可观测性。

寻找这些伽马射线特征将有助于验证所提出的形成机制，并揭示此类大质量黑洞在宇宙中究竟有多常见。

最终，如果这一联系得到证实，将帮助天文学家更深入地理解黑洞的基本物理。

#参考来源：

https://www.simonsfoundation.org/2025/11/10/mysterious-impossible-merger-of-two-massive-black-holes-explained/

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae0d81

#图片来源：

封面图&首图：Ore Gottlieb/Simons Foundation

中等质量黑洞发现未解之谜

2019年5月21日，LIGO和室女座干涉仪探测到编号为GW190521的引力波信号，该信号源于两个黑洞碰撞合并。

分析显示，合并后的黑洞质量约为太阳的142倍，而其“父母”黑洞的质量分别为太阳的66倍和85倍。

这一发现被认定为首个对中等质量黑洞的直接探测，填补了恒星质量黑洞（约100倍太阳质量）与超大质量黑洞（百万至十亿倍太阳质量）之间的质量空白。

高质量间隙黑洞的突破性意义此次发现的85倍太阳质量黑洞具有特殊意义。

根据现有恒星演化模型，质量超过65倍太阳的黑洞无法通过单颗恒星坍缩形成，因其超新星爆发会完全摧毁恒星核心，无法留下坍缩为黑洞的物质。

该黑洞的发现首次明确了“高质量间隙”（恒星质量黑洞与中等质量黑洞之间）的存在，挑战了传统理论，并为研究黑洞形成机制提供了新方向。

引力波探测技术的关键作用传统黑洞探测依赖间接方法（如观测黑洞吞噬物质时释放的辐射），而引力波探测技术（如LIGO）通过捕捉双黑洞合并产生的时空涟漪，实现了对黑洞的直接观测。

GW190521的信号虽仅持续十分之一秒，但科学家通过分析其特征（如频率、振幅），结合爱因斯坦广义相对论，确认了中等质量黑洞的诞生。

这一技术突破为黑洞研究开辟了新途径。

科学界的争议与未解问题尽管证据确凿，但科学家对GW190521的性质仍存在争议。

部分学者认为，该事件可能代表了一种全新的双黑洞类型，而另一部分则认为其可能是已知高质量黑洞的特殊案例。

此外，中等质量黑洞的数量稀少性（全宇宙仅探测到少数案例）及其形成机制（如是否通过多次合并或未知过程产生）仍是未解之谜。

这些争议推动了后续研究，例如通过更大规模的引力波探测网络（如LISA）进一步验证结果。

对超大质量黑洞形成之谜的启示中等质量黑洞的发现为解锁超大质量黑洞的形成提供了关键线索。

目前主流理论认为，超大质量黑洞可能由中等质量黑洞通过持续吸积物质或多次合并逐步增长形成。

GW190521的案例支持了这一假设，即中等质量黑洞可作为超大质量黑洞的“种子”，在宇宙早期环境中通过复杂过程演化而来。

引力波天文学的黎明时代科学家普遍认为，当前引力波天文学仍处于初级阶段，但GW190521的发现标志着该领域的重大突破。

正如西北大学天文学家蔡斯·金博所言：“我们正处在引力波天文学的黎明时代，这一发现不仅回答了现有问题，更提出了大量新问题。

”未来，随着探测技术的升级（如第三代引力波探测器）和国际合作（如LIGO-Virgo-KAGRA网络），人类对黑洞的认知将进一步深化。

总结：中等质量黑洞的发现已通过引力波探测得到直接证实，其存在为黑洞质量分布、形成机制及超大质量黑洞演化等核心问题提供了关键证据。

尽管部分细节仍存争议，但这一发现无疑推动了天文学前沿研究，标志着人类对宇宙奥秘的探索迈出了重要一步。

超级黑洞诸多未解之谜

几乎每个星系中央都存在超级黑洞，科学家已确认宇宙中存在大量黑洞，在宇宙诞生大约12亿年左右的时间内，就出现了超大质量黑洞。

例如哈勃的史密松天体物理中心的科学家，发现存在质量较为庞大的活动星系，最为遥远的星系核能够追溯到宇宙诞生后大约12亿年。

不同星系中超级黑洞质量差异较大。

如M60 - UCD1星系内部存在一个质量达到2100万太阳质量的超大质量黑洞，而银河系中央黑洞的质量仅为400万个太阳质量，M60 - UCD1星系比银河系小大约500倍，但黑洞质量占到了星系质量的15%，说明小星系中也可能隐藏大质量黑洞。

形成原因恒星吞噬说：超级黑洞以吞噬宇宙中的恒星而形成，它可以吞噬宇宙中所有的恒星，甚至是整个太阳系、银河系。

气云萎缩说：气云萎缩成数十万太阳质量以上的相对论星体，该星体会因其核心产生正负电子对所造成的镜像扰动而开始出现不稳定状态，并会直接在没有形成超新星的情况下萎缩成黑洞。

高密度星团说：涉及高密度星团，其副热容会促使核心的分散速度成为相对论速度，进而形成黑洞。

大爆炸瞬间说：在大爆炸的瞬间从外压制造出黑洞。

恒星爆炸连锁反应说：研究小组通过X射线观测发现，在距地球1200万光年的M82星系中，有两个中等大小的黑洞存在，它们的位置接近该星系的中心。

这两个超级黑洞很有可能是一连串的恒星爆炸所产生的连锁反应形成的紧凑、质量巨大的超级黑洞，然后慢慢坍缩成中等质量的黑洞，该星团随后下沉到该星系中心，逐渐演变成为超级黑洞。

特性密度特性：超大质量黑洞平均密度可以很低，甚至比空气密度还要低。

这是因为其半径与其质量成正比，而密度则与体积成反比，由于球体体积与半径立方成正比，质量差不多以直线增长，体积增长率更大，所以密度会随黑洞半径增长而减少。

对星系形成的作用：黑洞强大的吸引力间接帮助了星系的形成，恒星不能靠近黑洞，久而久之形成了太阳系、银河系等。

例如美国宇航局的科学家通过费米伽马射线望远镜观测到银河系中央出现了神秘的气泡，可能与银河系中的超级黑洞有关。

相关未解之谜费米气泡之谜：美国宇航局通过费米伽马射线望远镜观测到银河系中央出现对称的伽马射线气泡，跨度达到3万光年，而银河系直径才10万光年左右。

对于费米气泡的形成机制，科学家提出了一些模型，如银河系中央超大质量黑洞形成的巨型喷流，黑洞在其两极附近可形成接近光速的物质喷射；

或者黑洞周围聚集大量气体，形成质量庞大而短命的恒星，这些天体形成超新星爆发形成费米气泡等，但这些模型都不完美，其形成机制仍然不确定。

吞噬能力之谜：超级黑洞靠着吞噬宇宙中的恒星形成巨大体积，但为什么具有如此大的吞噬能力，目前还不得而知。

理论上不该出现的黑洞，到底是怎么形成的？