雖然我們直到2019年才首次通過“事件視界望遠(yuǎn)鏡”一睹黑洞的真容，但關(guān)于黑洞的謎團(tuán)可一直都不少……

宇宙中曾經(jīng)發(fā)生了這樣一起神秘事件：大約8億光年外，一個黑洞吞噬了一個不明天體，釋放出的能量激起了時空的漣漪。這種被稱為“引力波”的漣漪，在宇宙中穿行，最終于2019年8月14日抵達(dá)了地球。地球上三個靈敏度極高的探測器測量了這波微小擾動。當(dāng)天文學(xué)家破解引力波中蘊(yùn)含的信息時，卻遇到了一個新的謎團(tuán)。

IMAGE BY N. FISCHER, S. OSSOKINE, H. PFEIFFER, A. BUONANNO (MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS), SIMULATING EXTREME SPACETIMES (SXS) COLLABORATION

這場宇宙碰撞編號為GW190814，在LIGO和Virgo兩大機(jī)構(gòu)探測到的幾十次宇宙并合事件中十分特別。數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年來，這兩個天體都在相互繞轉(zhuǎn)，距離越來越近，直到碰撞在一起。天文學(xué)家推算出其中一個天體是質(zhì)量相當(dāng)于23個太陽的黑洞。而另一個被黑洞整個吞下的天體，質(zhì)量約為太陽的2.6倍，是一個還無法定義的神秘天體。

這個神秘的物體正好處在臨界點上，既像是像恒星一樣擁有表面的天體，又像是時空無底洞（即黑洞）。它的質(zhì)量處于已知最重的中子星（恒星發(fā)生超新星爆發(fā)后的殘留物）和最輕的黑洞（恒星殘骸足夠致密而形成的密度無限大的點）之間。

ILLUSTRATION BY DANA BERRY, NASA

科學(xué)家們一直在研究中子星和黑洞之間的界限，因為這個界限可以揭示物質(zhì)在宇宙最極端條件下的行為。并且，由于這些奇特的天體是恒星演化的終點，在某個時刻，當(dāng)所有的恒星都燃燒殆盡時，可能只剩它們漂浮在空蕩宇宙中。這一切都使得鑒定GW190814事件中奇特天體的性質(zhì)，變得更加吸引人了。

美國西北大學(xué)的Vicky Kalogera說：“如果它是一顆中子星，那它的質(zhì)量可真是讓人興奮；如果它是一個黑洞，那這個黑洞的質(zhì)量也同樣讓人興奮。無論如何，當(dāng)我們看到它的那一刻，我們就興奮起來了！”

引力波以光速傳播，所經(jīng)之處的一切物質(zhì)都會受到它的影響。但是，它們時空彎曲的程度太小，很難被探測到。LIGO設(shè)在美國華盛頓和路易斯安那州的探測器，以及設(shè)在意大利的Virgo探測器會發(fā)射出來回反彈的激光束，來測量光來回傳播所需的時間。正常傳播時間發(fā)生的任何微小變化，都可能是時空收縮或擴(kuò)張的結(jié)果。

ILLUSTRATION BY NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY/A. SIMONNET

2015年，這項探測取得首次成功，最終榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。此后，大多數(shù)探測都指向成對的黑洞碰撞事件。天文學(xué)家也探測到了中子星碰撞產(chǎn)生的時空漣漪。不過，GW190814事件與那些早期的碰撞并合事件不同，科學(xué)家們還在努力確定這起事件中所涉及到的兩個天體的真正性質(zhì)。

ILLUSTRATION BY SXS COLLABORATION

這次事件中，較重的天體顯然是黑洞，但較輕的天體是為數(shù)不多的位于中子星和黑洞之間質(zhì)量間隙的已知天體之一。在這個間隙的某個位置，物質(zhì)變得不穩(wěn)定，并坍縮成一個黑洞，中子星正好就在這個極限值的邊緣。

美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的Zaven Arzoumanian說：“大自然給穩(wěn)定物質(zhì)的密度施加了限制。但我們不知道那個極限是什么，也不知道超過極限之后會發(fā)生什么?！?/p>

美國亞利桑那大學(xué)研究中子星的Feryal ?zel稱，觀測結(jié)果表明，中子星質(zhì)量的上限約為太陽的2.1倍，且大多數(shù)接近1.4倍。雖然有觀測指出，存在質(zhì)量更重的中子星（約為太陽質(zhì)量的2.5倍），但其數(shù)據(jù)還不夠可靠。而描述中子星內(nèi)部物理特性的理論，也很難界定當(dāng)中子星質(zhì)量膨脹得更大時，是什么阻止它坍縮。

從這個質(zhì)量間隙的另一邊來說，目前觀測到的最輕的黑洞質(zhì)量大約為太陽質(zhì)量的5倍。直至最近，天文學(xué)家?guī)缀鯖]有發(fā)現(xiàn)任何介于2.1倍太陽質(zhì)量與5倍太陽質(zhì)量之間的天體。LIGO探測到的另一個天體，質(zhì)量約為太陽的2.7倍，是兩顆中子星相撞的產(chǎn)物。

ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA

目前，尚不清楚這次并合事件中的黑洞是吞噬了另一個黑洞，還是吞噬了中子星。

?zel說：“如果最終證實那是一顆中子星，如果中子星的質(zhì)量能達(dá)到太陽質(zhì)量的2.6倍，那就真的成為了改變研究范式的先例?！?/p>

她和Kalogera懷疑這個天體是一個輕質(zhì)量的黑洞。?zel說：“我們還無法用物理上的原因來解釋為什么黑洞不能達(dá)到太陽質(zhì)量的2.6倍。”但他們兩位都指出，要想確切查明會很困難。這個系統(tǒng)對于其他天文臺來說太過遙遠(yuǎn)，無法進(jìn)行研究。

ILLUSTRATION BY ROBIN DIENEL; COURTESY THE CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE

此外，兩個天體的質(zhì)量差異還掩蓋著一個潛在線索：如果黑洞的質(zhì)量再小一些，就有可能看到它把接近它的中子星扭曲并撕碎，而不是將它整個吞下。這種雜亂的并合過程，會在引力波中留下可識別的痕跡。

?zel說：“我想我們沒有任何機(jī)會知道那個天體是什么。表明它是中子星的跡象并不存在，但這點也并不意味著什么?！?/p>

即使不知道那顆天體究竟是什么，GW190814事件中涉及的兩個天體也特別引人注目，因為它們“很不相配”。LIGO和Virgo觀測到的大多數(shù)碰撞事件里，成對的天體質(zhì)量上都相對接近，但在GW190814事件中的黑洞質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的23倍，幾乎是另一天體的9倍。

ILLUSTRATION BY NICOLE R. FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

這個系統(tǒng)的不對稱性，使得科學(xué)家很難解釋它的起源和環(huán)境。例如，在古老的球狀星團(tuán)（圍繞星系運行的緊密恒星團(tuán)簇）中，一對致密的天體，其質(zhì)量預(yù)計會更加接近。在星系內(nèi)部，獨立演化的系統(tǒng)可能會產(chǎn)生不平衡的成對天體，但這些系統(tǒng)的碰撞頻率預(yù)計不會那么頻繁，不足以產(chǎn)生這樣的觀測結(jié)果。

該團(tuán)隊正在考慮更奇特的形成場景，比如多個并合系統(tǒng)、松散結(jié)合的星團(tuán)以及天體深陷在圍繞超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤中等等。

但是，正如宇宙中存在著無限的可能一樣，它也蘊(yùn)含著許多未知。

Arzoumanian說：“中子星的魅力在于，它們代表著物質(zhì)在引力坍縮中的最后一站。在中子星發(fā)生內(nèi)爆并坍縮到自身的事件視界之內(nèi)、永遠(yuǎn)無法被再次看到之前，物質(zhì)所能達(dá)到的最高穩(wěn)定密度究竟是多少呢？”

盡管還有許多宇宙奧秘?zé)o法解答，但可以肯定的是，我們對宇宙的探知不會停止。不如來大開一下腦洞，假設(shè)我們掉進(jìn)了黑洞會看到什么？又會發(fā)生什么？