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不是黑洞?科学家怀疑一个奇怪的引力波信号来自一种闻所未闻的诡异天体

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星空天文 2021-02-26 08:15

一次诡异的天体合并事件。

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一次诡异的天体合并事件。Nicolás Sanchis-Gual / Rocío García Souto

来自葡萄牙阿威罗大学和西班牙加利西亚高能物理研究所的一个国际科研团队近日在《物理学评论通信》上发文认为,2019年探测到的一个引力波信号并非由黑洞合并触发,而是与一种更为诡异的天体有关。

引力波是时空的涟漪。目前能够探测到的引力波信号都是很强的,都是由宇宙中的极端事件引起。已知的所有引力波信号都被认为是黑洞或中子星合并触发的。但是该科研团队认为,引力波信号不但可由已经观测过和理论上已经有可靠预言的天体事件引起,还可由那些人们从未见过甚至从未料想过的天体事件引起。引力波信号可以向我们透露许多宇宙之谜——比如暗物质的真相。而这类神秘事件触发的引力波信号,我们可能已经探测到了。

编号为GW190521的引力波信号是LIGO和Virgo在2019年探测到的,确认后的公布时间则是在2020年9月。根据相关资料,这个信号被认为是由两个质量分别为太阳85倍和66倍的黑洞合并触发的,估算结果表明合并后产生的黑洞质量大约为太阳的142倍。新产生的黑洞属于一个新的黑洞族群:中等质量黑洞。这一发现被认为意义重大,因为它弥补了恒星级黑洞和超大质量黑洞之间缺失的一环。主流的理论认为星系中心的超大质量黑洞,是通过一步步的合并,由恒星坍缩产生的小型恒星级黑洞演化而来的——但是天文学家却一直没有观测到质量处于这二者之间的中等质量黑洞。

但是这两个合并的黑洞本身却十分奇怪——较大的那个黑洞质量达到了太阳的85倍,超过了恒星坍缩所能形成黑洞的质量上限。

为了解释这种不合理,该科研团队认为,这次引力波事件可能不是黑洞合并引起的。触发此次引力波事件的,是两个人们从未见过的天体。这种天体叫“玻色星”。

玻色星一直以来都仅存在于理论上,它被认为是暗物质的候选者。玻色星是由超轻玻色子构成的,而超轻玻色子的质量只有电子的数十亿分之一。

研究人员发现,用玻色星合并模型对GW190521引力波事件进行模拟的结果,要比LIGO和Virgo团队用黑洞模型进行的模拟好。模拟结果也表明合并源的特征和早先的判定结果有不同之处。

研究人员表示,如果说发生合并的不是黑洞,那么就不存在质量突破理论上限的问题;而由于玻色星的合并过程要比黑洞弱得多,合并源的间距也应该也比LIGO和Virgo估计的要近。两个玻色星最合并形成的是一个质量大约为太阳250倍的黑洞。这是一个货真价实的黑洞,所以说我们目击了一个中等质量黑洞的诞生也没错。

研究人员解释说,玻色星和黑洞一样属于致密天体,但是没有视界。玻色星合并后形成的新玻色星会变得不稳定,最终也会坍缩成黑洞,并触发LIGO和Virgo能够感知到的引力波信号。构成玻色星的超轻玻色子不是普通物质,而是“暗物质”。超轻玻色子是暗物质候选粒子中,夺标呼声甚高的一种。

科研团队发现尽管分析倾向于黑洞合并假说,但是数据实际上更像是玻色星合并——虽然后者无法证明。在数据上,两者几乎无法分辨。玻色星模型现在还非常有限,需要提升。提升之后则可能会为我们提供更多的证据,也可以让学者以玻色星合并为假定前提,复核此前探测到的一系列引力波信号。

该研究的意义不仅在于提到了玻色星,还在于构成这些玻色星的是超轻玻色子。如果玻色星确实存在,那么科学家将有机会测量这些假想暗物质粒子的质量,进而提升理论的可信度。如果这一系列的“如果”都能被确认,那么就意味着这些科学家发现了人类历史上首个针对某个特定暗物质理论候选者的观测证据。

参考

GW190521 as a merger of Proca stars: a potential new vector boson of 8.7 × 10⁻¹³ eV

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.081101

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