理論上不該出現(xiàn)的黑洞，到底是怎么形成的？

2023年11月23日，LIGO–Virgo–KAGRA合作組利用引力波探測器，觀測到了一個極端的引力波信號GW231123——這是由兩個大質(zhì)量黑洞在約70億光年之外并合產(chǎn)生的引力波。

引人注目的是，這兩個黑洞都表現(xiàn)出了非常極端的物理性質(zhì)：其質(zhì)量分別為約137倍和約103倍太陽質(zhì)量，并且有著異常高的自旋——這令天文十分困惑，因為按照現(xiàn)有理論，這樣的黑洞本應(yīng)不存在。

如今，在一項新發(fā)表于《天體物理學(xué)報通信 》的研究中，一個天文學(xué)家團(tuán)隊通過對母恒星“從生到死”的過程進(jìn)行全程模擬，他們找到了此前研究忽略的關(guān)鍵因素——磁場。

匪夷所思的存在

大質(zhì)量恒星在生命末期會產(chǎn)生超新星爆發(fā)，其核心會坍縮成黑洞。但如果恒星處在某一特定質(zhì)量范圍內(nèi)，就會發(fā)生一種特殊類型的超新星——“對不穩(wěn)定超新星”，這種爆炸極為猛烈，會把整個恒星徹底摧毀，不留下任何殘余物。

因此，天文學(xué)家一直認(rèn)為，不會出現(xiàn)質(zhì)量在約70到140倍太陽質(zhì)量之間的黑洞。所以，當(dāng)他們在GW231123事件中發(fā)現(xiàn)了處于這個“質(zhì)量空隙”內(nèi)的黑洞時，感到非常不解。

不過，這個質(zhì)量空隙內(nèi)的黑洞可以通過“間接方式”形成，例如兩個黑洞并合成一個更大的黑洞。然而，科學(xué)家認(rèn)為這種情況對GW231123來說并不成立。

這是因為黑洞并合是極其混亂的過程，往往會擾亂最終黑洞的自旋。而GW231123的兩個黑洞卻有著非常高的自旋，它們以接近光速的速度拖拽周圍的時空——擁有如此質(zhì)量和自旋的兩個黑洞幾乎不可能自然形成。

因此，GW231123對傳統(tǒng)的黑洞形成機(jī)制提出了挑戰(zhàn)。天文學(xué)家認(rèn)為，一定存在其他機(jī)制來解釋GW231123的情況。

磁場扮演關(guān)鍵角色

在新的研究中，研究人員對兩個階段進(jìn)行了計算機(jī)模擬。

首先，他們模擬了一顆質(zhì)量為太陽250倍的巨星，從氫燃燒開始一直到燃料耗盡并坍縮成超新星。當(dāng)?shù)竭_(dá)超新星階段時，這樣的大質(zhì)量恒星已經(jīng)消耗掉大量燃料，質(zhì)量下降到約150個太陽質(zhì)量，剛好位于質(zhì)量空隙之上，并足以形成黑洞。

第二組模擬則更為復(fù)雜，他們將磁場納入了考量，研究了超新星爆發(fā)之后的演化。過往的研究往往將磁場一筆帶過，而這次的模型則是從超新星遺跡開始，這是一團(tuán)摻雜著磁場的恒星物質(zhì)云，其中心是新生黑洞。過去天文學(xué)家通常假設(shè)，這團(tuán)云中的全部物質(zhì)最終會落入黑洞，使黑洞的最終質(zhì)量與其母星接近。但新的模擬結(jié)果顯示，情況并非如此。

展示了一顆大質(zhì)量恒星坍縮形成黑洞的各個階段。（圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

如果黑洞是由一顆不旋轉(zhuǎn)的恒星坍縮形成的，那么剩余的物質(zhì)云的確會迅速落入黑洞；但如果這顆恒星原本自轉(zhuǎn)得很快，那么這團(tuán)物質(zhì)就會形成一個旋轉(zhuǎn)的吸積盤，導(dǎo)致黑洞隨著吸積而轉(zhuǎn)得越來越快。

而此時，如果還有磁場存在，那么它們會對這一吸積盤施加壓力，這種壓力足以把部分物質(zhì)以接近光速噴射出去。這些外向流最終會減少盤中能夠落入黑洞的物質(zhì)量。磁場越強(qiáng)，這一效應(yīng)越明顯——在磁場極強(qiáng)的情況下，多達(dá)一半的母星質(zhì)量都可能被噴出物拋射出去。而在GW231123的模擬中，這種磁場剛好能使最終形成的黑洞質(zhì)量正好處于質(zhì)量空隙范圍之中。

一顆初始磁場較弱、并在坍縮過程中直接形成黑洞視界的恒星的演化過程：在坍縮早期，吸積盤產(chǎn)生的風(fēng)會將恒星的大部分恒星包層剝離，從而減少能夠落入黑洞的物質(zhì)量。隨著演化繼續(xù)，黑洞外側(cè)區(qū)域最終出現(xiàn)一股單側(cè)噴流，它一方面使黑洞自旋減慢，另一方面將剩余的恒星物質(zhì)進(jìn)一步拋射出去。（視頻/Flatiron Institute）

有待進(jìn)一步驗證

這些結(jié)果暗示著，黑洞的質(zhì)量與其自旋速度之間可能存在聯(lián)系。強(qiáng)磁場會減緩黑洞自旋，并帶走部分恒星質(zhì)量，從而形成更輕、轉(zhuǎn)得更慢的黑洞；而弱磁場則會使黑洞更重、且自旋更快。這意味著黑洞可能遵循某種“質(zhì)量-自旋模式”。盡管目前尚無其他系統(tǒng)可用來直接檢驗這一聯(lián)系，但研究人員希望未來的觀測能夠找到類似系統(tǒng)，以便驗證這一推測。

模擬還顯示，這類黑洞的形成會產(chǎn)生伽馬射線暴，可能具有可觀測性。尋找這些伽馬射線特征將有助于驗證所提出的形成機(jī)制，并揭示此類大質(zhì)量黑洞在宇宙中究竟有多常見。最終，如果這一聯(lián)系得到證實，將幫助天文學(xué)家更深入地理解黑洞的基本物理。

#參考來源：

https://www.simonsfoundation.org/2025/11/10/mysterious-impossible-merger-of-two-massive-black-holes-explained/

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae0d81

#圖片來源：

封面圖&首圖：Ore Gottlieb/Simons Foundation