天文学家刚刚解开了“不可能”黑洞之谜

2023年，天文学家见证了一场惊人事件：两个质量异常巨大的黑洞在约70亿光年外相撞。它们的超大质量和高速自旋难以解释，按现有理论，这类黑洞本不该存在。来自美国熨斗研究所计算天体物理学中心（CCA）及合作机构的研究人员，如今揭示了这些宇宙 giants 的形成及最终相撞的可能机制。通过追踪孕育这些黑洞的恒星生命周期，团队发现，长期被早期模型忽视的磁场起到了关键作用。

挑战黑洞理论的2023年碰撞事件
这场被命名为GW231123的宇宙碰撞，由LIGO-Virgo-KAGRA天文台通过探测引力波（大质量天体运动产生的时空涟漪）发现。探测时，天文学家无法理解如此巨大且高速自旋的黑洞是如何形成的。大质量恒星耗尽燃料后，通常会坍缩并爆发为超新星，留下较小的黑洞。但特定质量范围内的恒星会经历一种特别剧烈的“对不稳定超新星”爆发，将恒星完全摧毁。
“这类超新星爆发后，我们认为不应形成质量在约70至140倍太阳质量之间的黑洞，”CCA天体物理学家、该研究（发表于《天体物理学杂志通讯》）的第一作者奥雷·戈特利布解释道，“因此看到质量处于这个‘质量 gap’内的黑洞，令人困惑。”

模拟揭示隐藏作用力
一种可能的解释是，“质量 gap”内的黑洞通过较小黑洞合并间接形成。但GW231123的情况似乎不可能：合并通常混乱，会破坏最终黑洞的自旋，而参与GW231123的两个黑洞自旋接近光速——这是观测到的最快速度，使这种场景难以成立。
为解开谜团，戈特利布团队进行了两阶段模拟。首先，他们模拟了一颗250倍太阳质量的大质量恒星从生到死的过程。当它爆发为超新星时，已燃烧足够燃料缩至约150倍太阳质量——略高于理论上的质量 gap，留下一个黑洞。
下一阶段引入了磁场。模型始于超新星遗迹：一团旋转的恒星碎片云，包含磁场，中心是新生黑洞。早期理论假设所有剩余物质都会落入黑洞，但新模拟呈现了不同图景。

磁场如何重塑坍缩恒星的命运
若坍缩恒星不旋转，周围物质会直接落入黑洞。但恒星高速旋转时，物质会形成盘绕黑洞的吸积盘，随时间为黑洞“供能”并增加其自旋。然而磁场会干扰这一过程：其压力可将部分物质以近光速向外喷射，阻止其落入。
这种物质喷射减少了黑洞吸收的物质。磁场越强，被喷出的质量越多。极端情况下，原恒星质量的一半可通过这些外流丢失。团队模拟中，这种机制自然产生了质量处于曾被“禁止”范围内的黑洞。
“我们发现旋转和磁场的存在可能从根本上改变恒星坍缩后的演化，使黑洞质量可能显著低于坍缩恒星的总质量，”戈特利布说。

黑洞质量与自旋的关联
结果揭示了黑洞质量与其自旋速度间的有趣关系：强磁场会减慢黑洞旋转并移除更多恒星质量，形成更小、更慢的黑洞；弱磁场则允许形成更大、自旋更快的黑洞。这种模式可能揭示连接质量与自旋的普遍规律——未来观测或可证实。
目前尚无其他已知黑洞系统能验证这一关联，但天文学家希望未来探测能发现更多类似GW231123的例子。

最黑暗事件中的光爆发
模拟还预测，这些磁场过程会在黑洞形成时产生伽马射线暴。探测到此类伽马射线闪光或有助于证实该理论，并揭示这些大质量黑洞的真实普遍性。
若得到验证，这些发现不仅能解释这场“不可能”的碰撞，还将重塑科学家对宇宙中最极端、最迷人天体之一的理解。