LIGO與VIRGO觀測到目前為止質量最大的重力波事件

Image: LIGO

撰文/陳勁豪

LIGO與VIRGO重力波天文台宣布,觀測到了目前為止質量最大的黑洞合併事件。兩個質量分別為85與66個太陽質量的黑洞合併為142個太陽質量的黑洞。

這個事件被稱為GW190521,在2019年五月21日由LIGO的兩個重力波觀測站與VIRGO同時發現。經分析這個重力波訊號,物理學家發現這個重力波事件是由兩個質量分別為85與66個太陽質量的黑洞合併為142個太陽質量的黑洞。發生的地點約在50億秒差距(5 gigaparsec),相當於宇宙年齡的一半。因此這是目前為止離我們最遠的一個重力波事件。

這個重力波事件為什麼特別引起各方關注?原因至少有二。

首先,這個重力波事件中出現了一個質量為85個太陽質量的黑洞。一般而言,當恆星崩塌的時候,如果恆星的質量超過2.17個太陽質量,恆星便有可能崩塌而形成黑洞。但是根據目前的理論,沒有辦法形成質量在65到135個太陽質量的黑洞。而這個質量為85個太陽質量的黑洞顯然對目前的理論提出了挑戰。

因此,為了解釋這次的觀測結果,物理學家提出了兩種可能。第一種是物理學家需要修改形成黑洞的機制。第二種是這個85個太陽質量的黑洞是「間接形成的」,也就是這個黑洞有可能是透過其他的黑洞合併事件,由兩個較小的黑洞合併而成的。

第二,這個重力波事件產生了一個質量為142個太陽質量的黑洞。這是物理學家首次直接觀測到中型黑洞,也就是質量介於100到1000個太陽質量的黑洞。

根據愛因斯坦的廣義相對論,理論上任何大小的質量都可以形成黑洞。但是在觀測上,在這次的觀測之前,物理學家觀測到了質量較小的黑洞,也觀測過質量高達百萬太陽質量的超大型黑洞。但是,物理學家一直沒有直接觀測過這種中型質量的黑洞,也就是質量介於100到1000個太陽質量的黑洞。因此這個重力波事件讓物理學家首次有直接的觀測證據,說明中型質量黑洞的確存在。

未來,LIGO與VIRGO將有望看到更多由黑洞合併所產生的重力波事件。透過觀察這些黑洞的質量分布,將有助於我們對黑洞的認識。例如對中等質量黑洞的測量或許有可能讓我們對超大型黑洞的形成機制有新的看法。

原始論文
GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150  M⊙
R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 125, 101102 – Published 2 September 2020

參考資料
2020/09/02 LIGO News: A “bang” in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet
https://www.ligo.org/news/index.php#GW190521
https://www.ligo.org/news/index.php#GW190521
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.101102

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