这个黑洞是由质量分别是太阳85倍和65倍的两个黑洞合并而成的，这也挑战了目前的黑洞形成理论，因为该理论预测质量是太阳85倍的黑洞是不存在的。
相关研究发表在今天的《物理评论快报》(物理评论快报)和《天体物理学期刊通讯》(天体物理杂志快报)上。这一发现将有助于我们更好地理解位于一些星系中心的超大质量黑洞。
看似开放而无边无际的宇宙实际上充满了引力波的回声。引力波是由极端的天体物理现象产生的，它们在时间和空间中激起涟漪，就像宇宙中的钟传播声音一样。这一次，研究人员听到了一声巨响。
这次事件是引力波观测到的最大的黑洞合并事件，由它形成的142倍太阳质量的黑洞也是第一个被清晰探测到的中等质量黑洞(即质量是太阳质量的100到1000倍的黑洞)。这个黑洞是由质量分别是太阳85倍和65倍的两个黑洞合并而成的，这也挑战了目前的黑洞形成理论：根据目前的理论，质量是太阳85倍的黑洞是不存在的。
这个引力波信号是由美国的LIGO和意大利的处女座干涉仪在2019年5月21日探测到的，因此研究人员将其命名为GW190521。
今天，LIGO和处女座科学家在国际期刊上发表了两篇论文，报道了这一信号对研究结果的影响。一篇发表在《物理评论快报》(物理评论快报)，详细描述了引力波信号的发现过程。另一篇发表在《天体物理学期刊通讯》(天体物理学杂志快报)上，讨论了信号的物理性质和天体物理学意义。
令人困惑的质量空缺
以前，天体物理学家观察到的所有黑洞都可以分为两类：恒星黑洞和超大质量黑洞。恒星黑洞的质量是太阳质量的几倍到几十倍，一般认为太阳是在大质量恒星死亡后形成的；超大质量黑洞的质量是太阳质量的数百、数千甚至数十亿倍，在银河系的中心有一个这样的黑洞。然而，释放引力波信号的黑洞的最终质量是太阳质量的142倍，太阳位于恒星黑洞和超大质量黑洞之间。
根据恒星演化物理学，恒星核心的光子和气体会产生向外的压力，这种压力平衡了促使横向物质向内运动的重力，从而维持稳定的状态，例如太阳。当恒星内部的重元素原子(如铁)融合时，它将无法产生压力来支撑外层。当向外的压力小于重力时，恒星将在自身重量的作用下坍缩，一颗核心坍缩的超新星将会出现，然后黑洞将会形成。
图片来源：LIGO/加州理工学院/麻省理工学院/赫特(IPAC)这个过程可以解释一颗质量是太阳130倍的恒星如何形成一个最大质量是太阳65倍的黑洞。但是对于较重的恒星，对不稳定现象也是一个需要考虑的因素。当恒星核心的光子能量极高时，它们会形成电子和反电子对。这些正负电子对产生的压力比光子小，这使得恒星更不稳定，更容易发生重力坍缩，然后产生可以摧毁一切的剧烈爆炸。甚至更大的恒星，比如太阳质量的200倍，最终也会坍缩成至少是太阳质量的120倍的黑洞。因此，坍缩的恒星不会产生质量是太阳质量65到120倍的黑洞，这被称为一对不稳定质量间隙。
但是现在，发射重力波信号的两个黑洞中较重的一个是太阳质量的85倍，这是迄今为止第一个在这个间隔内质量下降的黑洞。
处女座成员、法国国家科学研究中心(CNRS)研究员尼尔森克里斯腾森说：“我们已经观察到质量在此区间下降的黑洞。”这一事实足以让许多天体物理学家刮目相看，试图研究这些黑洞的起源。”
一种可能性是第二篇文章中提到的分层合并：在相互接近和合并之前，两个原始黑洞是由两个较小的黑洞合并而成的。
加州理工学院物理学教授、LIGO成员艾伦温斯坦说：“这个天体物理学事件提出的问题比它回答的问题还多。”"从探索和物理学的角度来看，这是一件令人兴奋的事情."
强有力的信号
该信号的持续时间非常短，不到0.1秒。研究人员推测，引力波信号来自距离地球5秒钟的星系，反映了宇宙当前年龄的一半的状态，花费了70亿年才到达地球。这也是迄今为止探测到的最远的引力波源。
至于信号的来源，根据先进的计算建模工具，科学家们推测GW190521很可能是由具有特殊性质的双黑洞合并产生的信号。到目前为止，几乎所有确认的引力波信号都来自双星合并，包括双黑洞合并和双中子星合并。
Virgo处女座团队还分别测量了两个黑洞的旋转，发现当黑洞彼此靠近旋转时，它们各自的旋转轴可能会偏离轨道的轴向。当这两个巨行星继续旋转并相互靠近时，它们的轴线错位将导致它们的轨道摇摆或进动。
这次合并产生了一个质量更大的黑洞，大约是太阳质量的142倍。它能以引力波的形式向宇宙释放相当于太阳质量8倍的巨大能量。克里斯腾森说：“这与我们通常检测到的啁啾信号不同。”与LIGO在2015年首次探测到的引力波相比，“这个信号就像一个巨大的噪音，是LIGO和处女座迄今发现的最强大的信号源。”
“意外”
LIGO项目由国家科学基金会资助，其设备由一对长度为4公里的干涉仪组成。“LIGO又一次给我们带来了惊喜。它不仅探测到了大小难以解释的黑洞，还因为它使用的技术不是专门为研究星系合并而设计的。”“这是非常重要的，它向我们表明，该仪器有能力探测来自不可预见的天体物理事件的信号。LIGO告诉我们，它可以观察到意想不到的现象。”
当LIGO和处女座探测器探测到穿过地球的引力波信号时，自动搜索程序将整理输入数据并搜索研究人员感兴趣的信号。有两种搜索方法：一种是搜索由两颗致密恒星组成的系统可能产生的数据模式，另一种是通过更常见的“突发搜索”来搜索所有异常信号。
LIGO成员、麻省理工学院物理学助理教授萨尔瓦托勒维塔莱(Salvatore)将寻找特定模式的算法比作“用梳子传递数据总能捕捉到特定形状的东西”，而突发搜索是一种更通用的方法。
在GW190521信号的发现中，第二种方法选择了一个更清晰的信号，并且发现这个引力波除了双星组合之外，不太可能来自其他来源。
温斯坦说：“人们断言，发现新事物的门槛非常高。”“我们一直遵循奥卡姆剃刀原理：解释越简单越好。就GW190521信号而言，最好的解释是双黑洞(合并)。”
但是如果引力波信号来自一个全新的天体呢？这是一个迷人的前景。在发表的文章中，科学家还简要考虑了其他可能的引力波来源。例如，它可能是由银河系中一颗坍缩的恒星发出的，或者是由早期宇宙中产生的一条弦发出的。然而，这些假设并不像双黑洞合并假设那样与数据一致。
“自从LIGO号投入使用以来，所有高度可信的观测都是黑洞或中子星的碰撞。”温斯坦还说，“在这种现象中，我们的分析表明它可能不是这样的碰撞。虽然这一现象与两个质量独特的黑洞合并是一致的，但其他解释并不乐观，但它仍然增强了我们的信心。这是一件令人兴奋的事情。因为我们都期待着发现新事物，渴望发现意想不到的现象来挑战我们现有的知识。这个天文发现做到了这一点。”
