两个在30亿年前相撞的大质量黑洞传出的重力波冲过地球

这张想像图描绘出遥远宇宙中的两个黑洞合并的景象。最近侦测到的重力波讯号，就是源自这起事件。 IMAGE COURTESY AURORE SIMONNET, LIGO, CALTECH, MIT, SONOMA STATE

这两个比预期质量还要更大的黑洞，在30亿年前相撞，传出的重力波冲过地球。

很久以前，在一个遥远的星团……有两个奇异的黑洞相撞，合而为一，释放出的巨大能量扭曲了时空本身的结构。

现在，地球上的仪器侦测到了这场遥远宇宙灾难的微弱涟漪，这是第三次直接确认侦测到重力波。这几次侦测，都是由雷射干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO）达成，为我们探索宇宙开启了一扇新窗户。

很重要地，这些重力波携带了远方源头的资讯，而分析的结果会挑战一连串的观念：像是黑洞怎么成长、位在哪里，而这两颗黑洞又是如何以激烈的死亡之舞结束一生。

「宇宙仍然还有我们不了解的奥秘，」加拿大麦基尔大学的天体物理学家达伊尔．哈加德（Daryl Haggard）说：「我们以为已经够了解黑洞是怎么产生的，但现在我们才知道，原来还有很多未知等待我们去发现。」

形成黑洞

LIGO在今年的1月4日，侦测到最新一起黑洞相撞事件所产生的重力波，但这起相撞事件的发生时间，其实是在大约30亿年前。这个重力涟漪冲过地球，但由于非常微弱，只轻轻摇晃了位处不同两地、但完全相同的两套雷射和反射镜组。这两套装备分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。

重力波将地球的空间压缩、延伸，但尺度还不到一个质子（形成原子核的其中一种粒子）的直径。人类当然无法感受到这样的空间变化，但是LIGO的侦测器非常灵敏，即使这样微小的扰动，也逃不过雷射的法眼。

LIGO的团队在仔细分析信号后，确定这是两个黑洞发生灾难性碰撞所留下的线索，其中一个黑洞的质量大约相当于30个太阳，另一个则是相当于19个太阳。

这两个黑洞一直绕着彼此旋转，度过千古岁月，也慢慢地被彼此吸引，成为宇宙的死亡螺旋。随着这两个黑洞逐渐接近，黑洞以重力波的形式辐射出能量。最后当两个黑洞终于相撞、合体时，也以这种宇宙涟漪的形式释放出更多能量。

这两个互相绕转的黑洞相撞后产生的单一黑洞非常巨大，这个弯曲的无底时空结构，质量相当于50个太阳。研究团队在6月1日于《物理评论快报》发表他们的结果。

奇特的大质量黑洞

LIGO分别在2015年9月和2015年12月侦测到前两次重力波事件，这两次也都是因为黑洞碰撞而产生。不过，三次重力波事件中，有两次的相撞黑洞质量都比天体物理学家原本预估的要大很多，这实在令人费解。

这些事件告诉科学家，对于所谓的恒星黑洞，他们自以为已经很了解了，但其实并不尽然如此。

如果一颗恒星的质量比太阳大很多，在它爆炸死亡后，留下的残骸就是恒星黑洞。或许你会很天真地认为，恒星的质量越大，残骸的质量也就越大。但天体物理学家可不这么想。

相反地，恒星的质量越大，恒星所吹出来的风也就越大，在恒星漫长的一生中，狂暴的恒星风会将物质吹向太空。到了恒星行将就木之时，已经抛出了大量的质量，最终坍缩成一个质量相对较小的黑洞。

美国宾州州立大学的天体物理学家斯坦恩．西格桑（Steinn Sigurdsson）表示，几十年来的理论和观察都认为，恒星黑洞的质量约略不会超过十个太阳。但是，LIGO发现的好几个黑洞，质量明显要比这个先前预估的极限要来得更大──虽然远远不及星系中心的超大质量黑洞。

美国乔治亚理工学院的LIGO团队成员萝拉．卡多纳蒂（Laura Cadonati）说：「在我们发现之前，甚至不知道这些黑洞存不存在。现在，天体物理学家得努力解释，要怎么形成这么奇特的天体。」

「我们必须找出方法，来解释这些黑洞为什么这么的巨大，」哈加德说：「自从第一次侦测到重力波后，这就让我们很头大。依我们目前的模型，无法完全排除30个太阳质量黑洞这种可能性。但我还是有点惊讶，因为这些新发现的黑洞真的很大。」

有种理论解释了这些黑洞是如何形成的：这些渐渐步向毁灭的巨大恒星，主要是由氢和氦组成，使得恒星风没有那么剧烈，质量损失也较少。当这些恒星死亡时，最终坍缩形成的黑洞，质量也就比较大。

我们过去常在球状星团里看到这类恒星，或是一整群非常年老的密集恒星，绕着星系（包含我们自己的银河系）旋转。

双黑洞的起源故事？

LIGO的另一项证据，支持了球状星团在成对的大质量黑洞形成过程中，扮演重要角色的想法。

LIGO的团队可以从重力波信号，推断出许多黑洞合并前的特征──包括黑洞自转的方向以及自转轴的指向。卡多纳蒂表示，根据这些资讯，碰撞似乎是在球状星团内发生的。

双重黑洞起源的其中一个理论，是一对在同一团云气中诞生、且彼此环绕的大质量恒星死亡时，它们的残骸继续互绕旋转，这通常会形成两个自转方向和定向相似的黑洞。

但LIGO最新侦测到的资料显示，这两个黑洞的自转并不完全一致。因此这两个黑洞，可能是在球状星团内距离很远的地方形成的，之后沉入星团的中心，在那里才卷入不幸的死亡螺旋。

这两个黑洞的命运，由星团核心的动力学和混沌所造化，而非毕生都在近距离绕着彼此旋转。西格桑说，这个解释似乎符合目前的数据，但西格桑也说，没有理由认为正确的答案只有一种。

西格桑说：「我个人是认为，双重黑洞在银河场内和星团内都会发生，但在星团内，可能会在遥远距离的情况下，产生我们观察到的这类大质量黑洞。」

「这开始让我们知道黑洞的族群有哪些、它们来自何处等，在我今年夏天举办的研讨会上，肯定也会掀起一番论战。」

随着LIGO侦测到更多数据，答案也会愈来愈具体，天文学家会修改理论以符合新的观测资料，我们预期很快就能得到部分解答。

哈加德说，LIGO的数据已经挑战了许多恒星演化和星团的概念，甚至是神秘物质「暗物质」的某些想法。但是，爱因斯坦的广义相对论仍屹立不摇：LIGO的数据与广义相对论的预测非常一致。

「研究这些黑洞如何诞生的天体物理学，完全就像是个灾难，」哈加德说，「但物理学是很简洁的。」

恒星的生与死，宇宙中的绝妙美景

中子星：画家在这张想像图中，绘制了一颗距离地球5万光年的中子星。在2004年12月，这颗星忽然变亮，使得太空中所有的X射线卫星都暂时失明，也照亮了地球的上层大气。这样突然变亮的现象，是因为恒星巨大扭曲的磁场撕开了恒星的外壳，释放大量的伽马射线爆发。 IMAGE COURTESY NASA

光回波：2002年初，红超巨星麒麟座V838突然变亮了好几个星期，这表示在这之前，它一直被一团从未见过的云气结构所掩盖。哈伯太空望远镜捕捉到光回波（light echo）现象。当恒星放出的光被云气反射后，就会发生这种现象。 PHOTOGRAPH COURTESY NASA/ESA/HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)

昴宿星团：这张红外影像，显示出包裹住昴宿星团（Pleiades，又称七姊妹星团）的尘云。这个星团距离我们大约有400光年远，是在约1亿年前形成的。它包含数以千计的恒星，并因为其中最亮的七颗星而得名。 PHOTOGRAPH COURTESY NASA

濒死恒星：地表望远镜所拍摄到的这张星云影像，看起来呈现矩形，事实上也是它的名字由来：红矩形星云。不过，哈伯太空望远镜所拍摄的影像显示，更准确地来说，这个星云应该要叫做「红X形」星云。星云的独特形状，来自位在中心的垂死恒星，以圆锥形喷发出气体和尘埃。这颗恒星大约在1万4000年前开始抛离外层，慢慢变得愈来愈小，也愈来愈热，开始释放大量的紫外光。 PHOTOGRAPH COURTESY NASA/ESA/HANS VAN WINCKEL (CATHOLIC UNIVERSITY OF LEUVEN, BELGIUM)/MARTIN COHEN (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY)

五合星团：这张影像是由哈伯太空望远镜所拍摄的，这是目前为止最清楚的五合星团影像。这个星团聚集了大量的年轻恒星，距离地球有2万5000光年，但距离银河系中心只有一百光年。这个星团与我们的星系核心距离相当近，表示这些恒星会在短短的几百万年之内被扯碎。 PHOTOGRAPH COURTESY NASA

超新星残骸：这张哈伯太空望远镜影像，显示了大质量的仙后座A超新星残骸，排列成上千个小型低温气体团块。每一个小团块都只是原本恒星的一小部分碎片，而且每一个都比太阳系的直径还要大上几十倍。 PHOTOGRAPH COURTESY NASA/HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)