發現不該存在的天體，瞬間釋放8倍太陽質量能量，將改寫已知理論

　　宇宙每時每刻都充滿著驚喜，就看你能不能發現。這些驚喜不僅可以讓我們更加充分的認識我們的宇宙，還能檢驗我們的理論。

　　因為我們現在關於宇宙事物的一些理論其實還處在經驗理論當中，並沒有得到觀測和實驗的證實。

　　例如恆星演化的過程，很多的具體細節都還處在猜測、擬合階段。這就是我們整天觀察宇宙的一個原因，利用觀測到的現象去證實、完善已知的經驗理論。

　　

　　9月2日在《物理學評論》上就發表了一個重大的觀測成果，經過多年的搜索，引力波這個這個神龍見首不見尾的東西又被人們捕捉到了。

　　在2019年5月21日科學家利用LIGO探測器發現了有記錄以來最大的一次信號。

　　該信號持續了僅有13毫秒，這次的信號來源於170億光年外兩顆中等質量黑洞合併所發出的，由於距離我們非常遙遠，其實它們合併的時間已過去了100億年。

　　

　　這裡有個小小的疑問，他們不應該處在100億光年處么？這是光走路的路程，但你不要忘了宇宙在膨脹。光在走了時后，這兩顆黑洞一直在後退。

　　兩顆合併的黑洞生前是兩顆大質量恆星構成的雙星系統，經歷超新星爆發死亡以後誕生出來了兩個質量分別為85倍和66倍太陽質量的黑洞。

　　它們在空間中經過了漫長雙人舞，由於引力輻射的作用，軌道衰減，最終相撞合併在了一起，形成了一個質量為142倍太陽質量的黑洞。

　　

　　我沒有算錯。大約有8倍的太陽質量在兩顆黑洞合併的時候，轉成了純能量以引力波的形成在三維空間中擴散開來。

　　這次的引力波信號非常強不僅被LIGO探測到（臂長4公里），還有歐洲的Virgo探測器、義大利的室女座引力波探測器（臂長3公里），都檢測到了信號。

　　探測引力波的原理其實非常簡單，跟歷史上1887年為了測量以太所使用的干涉儀其實大致一樣。

　　區別就在於一個是想通過地球在以太中的運動改變一個方向上的光速來觀察兩條垂直光返回時干涉狀態的改變；

　　而引力波所使用的探測器想通過引力波掃過儀器時改變光走過的路程，也就是改變干涉儀的臂長，來觀測光在返回時干涉狀態有沒有發生改變。

　　

　　上圖就是引力波探測器的原理，引力波是空間的漣漪，它經過空間時，空間的長短就會發生波動。當引力波經過干涉儀的時候，兩個互相垂直的臂長就會發生交替的擴張和收縮。

　　這就會改變光傳播的路程，當兩條光返回相互干涉的時候，就會出現可識別的干涉特徵。原理聽起來簡單，但是想造這樣的儀器卻非常困難。

　　因為引力波非常微弱，臂長本身也就只有幾公里，因此變化十分微小，小到就像是黑洞合併這樣的大事件產生的引力波根本不會被我們察覺。

　　

　　其實引力波經過地球的時候，不僅是干涉儀的臂長會變化，我們的身高、胖瘦也會變化，但這些都是肉眼無法發現的。

　　利用干涉儀我們現在可以檢測到臂長10^-19米的微小變化。但也不是所有的引力波都能檢測到，只有像黑洞、中子星這樣的極端事件才能被我們檢測到。

　　其實探測到引力波這件事本身並不新鮮，畢竟引力波我們以前都檢測到了，但是這次的發現創造了很多的歷史之最，而且有一個令所有物理學家都撓頭的事。

　　先說歷史之最：

　　是已知宇宙中單次事件釋放能量最大的；

　　是黑洞合併距離我們最遠的；

　　是合併后形成黑洞質量最大的；

　　是合併前兩顆質量最大的恆星級黑洞。

　　

　　令科學家撓頭的正是最後恆星級黑洞的質量，尤其是其中85倍太陽質量的恆星黑洞，按照以往的理論，這個質量的黑洞是不應該存在的。

　　天體物理學就是專門研究恆星演化過程的，根據這個理論我們知道要想誕生黑洞，恆星的質量必須在10個太陽以上。

　　恆星質量越大，最後剩下的那個黑洞就越大。但是這個規律只在一定程度上起作用。一般情況下恆星死後留下的黑洞質量從幾個太陽到幾十個太陽不等。

　　

　　這對應的恆星質量從10倍太陽質量到130倍的太陽質量。130倍太陽質量的恆星死亡后所能形成的黑洞質量極限為65倍太陽質量的黑洞。

　　高於130倍太陽質量低於250倍太陽質量的恆星死亡的時候是不會留下任何東西的，這就是我們理論上認為的不穩定對超新星。

　　因為這些恆星在主序星的時候，核心溫度在某一天就會超過3億K，這個溫度足以往光子所攜帶的能量非常大，大到超過了兩個正負電子所攜帶的靜止能量，整個恆星內部變成了一個對撞機。

　　

　　因此這些光在在互相碰撞的時候會產生正負電子對，而正負電子對雖然會很快的湮滅又釋放出光子，但就是這個多餘的過程，導致了恆星內部輻射壓力變得不穩定。

　　這時引力就會佔據上風，導致恆星急劇的收縮，恆星內部溫度升高，最後引發了失控的核聚變，就像一顆巨大的氫彈一樣，整個恆星就被炸的稀碎。

　　所以說理論上這個質量之間的恆星是不會形成黑洞的，但是只要恆星的質量超過的250倍，巨大的引力會坍縮的非常快，還是可以讓恆星核心形成黑洞的。

　　但這個黑洞最低的質量也在120個太陽質量。因此理論上宇宙中不應該存在65倍-120倍之間的恆星黑洞。

　　

　　以前我們通過引力波發現的黑洞合併事件，所有的黑洞質量都低於65倍的太陽質量，和理論吻合的非常好，但就是這一次兩個黑洞都超過了這個極限值。

　　66倍的黑洞還好說，我們可以認為是測量存在誤差，但是最主要的就是85倍的太陽質量黑洞鐵定了跟理論不相符了。

　　這就是所有物理學家撓頭的地方，這顆恆星級黑洞的存在，說明了我們對大質量恆星內部的演化理解可能是錯誤的。

　　

　　上文中所說的對不穩定機制可能並不會發生，也許130倍以上質量的恆星內部溫度不會超過3億K，或許是中微子大量的產生逃逸可以為恆星降溫，或者是恆星中重金屬的比例改變了不穩定對發生的機制。

　　相信你也已經想到了一個解釋，也許這個系統之前是三顆恆星，85倍太陽質量的黑洞是之前兩顆小黑洞合併起來的，這不就解釋了。

　　但是這裡有個難題，如果有兩顆黑洞在更早的時候真的發生過合併，那麼你就無法解釋這樣的能量爆發事件為何沒有把另外一個成員驅逐出去？

　　

　　所以這個問題要麼就是理論錯了，要麼就是發生了我們還未知的現象，例如85倍太陽質量的黑洞吸積了物質，成長成了這麼大。

　　所有的情況都是有可能的。

　　不過這次的發現再一次為我們提出了一個問題，恆星演化的過程到底是怎樣的？恆星級黑洞的質量有沒有限制？關於這些問題的理論是否正確？

　　這些問題會隨著進一步的觀測慢慢得到解答。