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LIGO 與 Virgo 確認迄今已知最大型黑洞合併 質量為太陽 142 倍

2020/9/3 — 19:43

圖片來源:NASA

圖片來源:NASA

去年 5 月,激光干涉重力波天文台(LIGO)與意大利室女座干涉儀(Virgo interferometer)在距地球 70 億光年遠的地方,錄得有史以來最大型黑洞合併事件。最新分別刊於 Physical Review Letters 與 The Astrophysical Journal Letters 的報告確認,合併前的兩個黑洞質量分別為太陽的 66 倍和 85 倍,最終融合成太陽質量 142 倍的黑洞,並首次確定「中介質量黑洞」的存在。

科學界已知黑洞有兩種不同類別。第一種是只有太陽數倍質量的恆星黑洞(stellar black hole),這些黑洞是恆星在演化後期耗盡燃料後,無法承受自身重力而塌陷的天體。第二種則是質量可達太陽數十億倍的超大質量黑洞(supermassive black hole),存在於幾乎所有星系的中心,包括人類所在的銀河系,它們會吞噬任何接近的物體,這些「星際巨人」如何形成,仍是科學界的未解之謎。

科學家一直推斷,宇宙中存在質量介乎這兩種類別之間的第三種黑洞類別,即所謂中介質量黑洞(Intermediate-mass black hole),但過去無法證明其存在,直至去年 LIGO 與 Virgo 探測到重力波 GW190521 ,才首次確定到中介質量黑洞的存在。

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經仔細分析重力波 GW190521,訊號由 2 個分別約等同 85 個太陽質量、66 個太陽質量的黑洞合併發出,最終合併產生的是一個 142 個太陽質量的黑洞。報告指,其餘 9 個太陽質量的物質,在數百毫秒內轉化成重力波 GW190521 ,訊號在去年 5 月 21 日被儀器接收到。

是次黑洞合併事件所釋放的光度,超出了整個可觀測宇宙所有星系的光度總和,亦是 5 年前科學家首次檢測到重力波以來,最大型的一次黑洞合併事件。

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LIGO 成員、加州理工學院物理學家 Alan Weinstein 表示,發現帶來的問題多於其提供的答案,但從物理學而言,這是一次令人興奮的發現。

有參與研究的中大物理系教授黎冠峰則在大學新聞稿表示:「如果我們對恆星演化的認知是正確的話,這次相撞的兩個黑洞質量太大了,它們是不可能由恆星塌陷形成的。這可能意味著合併前的兩個黑洞,也是由其他黑洞合併而成的。這個發現非常有趣,因為這是我們一直以來推斷超大質量黑洞的形成機制之一。」

德國馬克斯普朗克重力物理研究所理論物理學家 Alessandra Buonanno  則指,雖然訊號時間持續非常短,大約只有 0.1 秒,但正如愛因斯坦的廣義相對論所預言一樣,團隊仍能夠將訊號與黑洞合併事件相連,並意識到這是人類第一次親眼目睹中介質量黑洞的誕生,而該兩個原有黑洞也很可能各自來自另一次合併產生。

不過,學者仍未完全了解這個黑洞的形成。中大另一位物理學教授 Calderon Bustillo 解釋:「雖然我們假設這些訊號是由相互繞轉然後合併的黑洞所形成,但礙於這次事件中牽涉的巨大質量,我們無法清楚地觀測黑洞合併前的訊號。因此,我們不能完全確認合併前發生的事。讓我們十分興奮的是,這容許我們探索其他的可能性和更新奇的機制去解釋這個最終黑洞如何形成。」

來源:
Science Alert, Most Massive Black Hole Collision Detected Confirms Elusive Middleweight Black Holes, 2 September 2020

報告:
Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S. & et al. (2020). GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙Phys. Rev. Lett. 125, 101102. doi: 10.1103/PhysRevLett.125.101102
Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S. & et al. (2020). Properties and Astrophysical Implications of the 150 M⊙ Binary Black Hole Merger GW190521. The Astrophysical Journal Letters Vol 900 (1). doi:10.3847/2041-8213/aba493

文/Alan Chiu

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