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科学家发现中等质量黑洞证据：迄今最强的引力波源
宇宙中充满了时空涟漪——引力波——的回响，现在，在我们所听到的“宇宙交响乐”中，又增加了一段新的声音。自2015年以来，天体物理学家一直在使用引力波探测器来“聆听”宇宙中类似啁啾的信号，并通过解码这些在时空中产生的细微涟漪，分析发出这些信号的大规模碰撞事件。现在，根据激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲的室女座干涉仪（Virgo）的一项新研究，科学家们探测到了一个新的引力波信号，来自一场快速而剧烈的“爆炸”事件。对该事件的研究或许能帮助我们解开更多的宇宙谜题。
“这是又一个首次发现，”美国路易斯安那州立大学的物理学家、这项新研究的团队成员加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela Gonzalez）说，“我们永远不会厌倦第一。”经过一年多的研究，这个被称为GW190521的奇怪信号使科学家相信，他们发现了迄今为止最大规模的黑洞合并事件，其形成的142倍太阳质量黑洞也是第一个被清晰探测到的中等质量黑洞（即质量为太阳质量100倍至1000倍的黑洞）。
根据2019年5月21日探测到的引力波信号，天文学家的推测，该信号是一个85倍太阳质量的中等质量黑洞与一个66倍太阳质量的恒星黑洞碰撞时产生的，最后形成了一个142倍太阳质量的中等质量黑洞。
宇宙中的巨大爆炸
当科学家们仔细梳理引力波探测仪的观测结果时，很快就发现了这个独特的信号。这项新研究的合著者、哥伦比亚大学的天文学家筎然娜·玛卡（Zsuzsanna Marka）清楚地记得，探测器是在2019年5月21日接收到信号。她是少数几个将手机与宇宙探测实时连接的天体物理学家之一，每当引力波探测器“听”到宇宙中可能的信号时，他们就会收到提醒。
收到提醒之后，玛卡开始检查这些事件中是否伴有中微子爆发。不过，就在当晚，她已经意识到这很可能是一次十分特别的探测。“我不由自主地注意到了巨大的质量，”玛卡说道。她记得当时的想法是：“这太棒了，意义非常重大。这确实是我们希望看到的大规模事件之一，令人难以置信，但还不清楚是否真的存在这样的大质量黑洞。”
黑洞的大小各不相同。根据美国国家航空航天局（NASA）的数据，恒星黑洞（一类由大质量恒星引力坍塌后形成的黑洞）的质量是太阳的10到25倍；超大质量黑洞的质量是太阳的数十万倍到数百万倍以上，一般认为星系中心（包括银河系中心）都会有超大质量黑洞。天文学家推测，可能存在某种介于两者之间的黑洞，即中等质量黑洞。据估计，中等质量黑洞的质量大约为太阳的100倍到1000倍。
中等质量黑洞并不像大多数小型黑洞那样，由垂死的恒星爆发形成。相比由单一恒星引力坍缩形成的恒星黑洞而言，中等质量黑洞的质量显然过大；恒星在爆发过程中总是会失去一些物质，但当恒星达到一定体积后，无论它变大多少，当它爆发时会形成一个质量最高约为太阳65倍的黑洞。根据LIGO团队的研究，更大的恒星在爆发时会失去更多的物质，最终形成同样大小的黑洞。
这一过程可以解释130倍太阳质量的恒星如何形成最高为65倍太阳质量的黑洞，而对于质量更大的恒星（130至250倍太阳质量），则更可能发生不稳定对超新星爆发，恒星将被完全毁灭，不留下黑洞或其他任何残骸。因此，天文学家认为，恒星坍缩不会产生质量在太阳质量65倍至120倍之间的黑洞，这一范围称为“对不稳定性空缺”。
直到最近，中等质量黑洞还只是理论上存在的神秘天体，即使以黑洞的标准来看也十分难以捉摸。利用LIGO的早期探测结果，天文学家对恒星黑洞进行了观察；另一方面，事件视界望远镜也拍摄到了M87星系中心超大质量黑洞的图像，但对于中等质量黑洞，对其进行探测并不容易。
“这非常重要，因为它展示了LIGO探测器的能力，其探测到的信号来自完全不可预见的天体物理事件，”马罗内蒂说，“这项探测表明，LIGO也可以观测到我们意想不到的物体。”
是新的黑洞，还是更奇特的物体？
与往常一样，当涉及到引力波时，天文学家就不得不围绕着探测结果中破译的少量信息来建立假设。他们将这一引力波信号命名为GW190521，发现它的持续时间比LIGO之前探测到的其他信号短得多，只有十分之一秒；它的频率也比之前的黑洞合并事件产生的信号低得多。天文学家还可以追踪该信号至特定的天空区域。
根据这些信息，天体物理学家计算出了碰撞发生的距离——大约70亿光年。他们还可以计算出了两个相撞物体的质量，分别是太阳质量的85倍和66倍，而碰撞后的物体质量大约是太阳质量的142倍（在碰撞过程中，一些质量以引力波能量的形式丢失了）。
由于濒死恒星产生的黑洞大小存在限制，因此这些初始质量表明，至少其中较大的黑洞——也可能是较小的黑洞——本身可能就是两个黑洞碰撞的结果。“两个黑洞合并，形成一个新的黑洞……然后它们再次合并，”玛卡说，“这只有在存在大量黑洞，即黑洞密度很高的环境下才会发生。”
玛卡希望这场碰撞发生在一个活动星系核附近，由于活动星系核的强大引力，可以将其他天体锚定在附近。活动星系核是星系中心的一个致密区域，其发出的辐射被认为是星系中央的超大质量黑洞物质吸积产生的。不过，利用目前有关的数据，天文学家还没有办法确定GW190521背后的确切机制。
从更长远的角度，如果能发现更多正在合并的中等质量黑洞，或许可以解决关于超大质量黑洞的一个重大谜团，即它们的起源。
尽管天文学家对这个引力波信号和发现中等质量黑洞的可能性感到兴奋，但他们并不能肯定目前的假设是正确的。当然，两个85倍和66倍太阳质量的黑洞合并是最符合数据的，但天体物理学家也在考虑其他更奇特的解释。
“如果某种全新的事件产生了这些引力波呢？”美国西北大学的物理学家、LIGO团队专家瓦西莉基·卡洛耶拉（Vicky Kalogera）说，“这样的前景很吸引人。”她还补充道，目前对信号产生原因的假设包括一颗银河系恒星的坍缩，以及某种古老的宇宙弦。
首次发现之后
目前，LIGO和Virgo探测器都处于下线状态。由于新冠肺炎疫情大流行，它们被迫在3月底关闭。不过，天体物理学家正计划升级这两台探测器和它们的算法，以继续探测宇宙中的时空涟漪。
探测器及其算法的升级对于追踪更多像GW190521这样的信号是至关重要的。如果探测器本身更加灵敏，科学家就能捕捉到更遥远的信号；而对数据处理算法进行微调，他们就能更容易地识别像这样的更短信号。
冈萨雷斯表示，探测到两个黑洞的碰撞事件，以及其中某个黑洞本身就是由合并形成的，这预示着宇宙中存在着很多有待观测的信号。“我希望这意味着有更多的黑洞——可能是黑洞的集群，因为它们聚集在一起，所以合并得更频繁，”她说，“我希望这些黑洞集群的规模很大，而且分布在很多地方，这样我们就能探测到更多的黑洞。”
当然，这一切还必须取决于未来的探测结果。“大自然做它该做的，我们不能告诉它该做什么，”冈萨雷斯说，“我们收集数据，取得发现，然后由理论天体物理学家们去推测并提出新的理论，来解释这些巨大的黑洞是如何产生的。”
LIGO和Virgo团队将相关研究的结果发表在9月2日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《天体物理学期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上，前一篇详细描述了引力波信号的发现过程，后一篇则讨论了该信号的物理性质及天文物理学意义。（任天）
什么是引力波？引力波的发现有什么用途？它到底有什么用？
什么是引力波？
1、引力波又称重力波，是爱因斯坦广义相对论预言的一种时空波动，以光速传播，是时空扰动的曲率以行波形式向外传播的一种方式。就像电荷加速时会发出电磁辐射一样，同样质量的物体加速时也会发出引力辐射，这是广义相对论的一个重要预言。
2、万有引力的全称是万有引力，也叫引力相互作用。指有质量的物体之间加速接近的趋势。简单来说就是物体之间的吸引力。它是自然界中四种基本相互作用力之一，也是自然界中最普遍存在的力，可以说是无处不在。
3、中国科学技术大学物理学院教授蔡一夫解释说，在经典力学中，引力被认为是具有质量的物体之间的相互作用。但在爱因斯坦的广义相对论中，引力是现有质量使时空弯曲而产生的现象。“广义相对论认为物质的质量会弯曲时间和空间。例如，当有人坐在沙发上时，沙发原本平坦的表面会立即向下凹陷，出现一个坑，而之前放在沙发周围的物体则倾向于滑向坑的中间，从而产生万有引力。”
4、“在太空中也是一样。比如把太阳、地球、恒星、黑洞等大质量天体放在时空里，时空就会形成‘凹弯’，万有引力就会产生。”麻省理工学院物理系研究员苏萌说。
引力波的发现有什么用？
1.验证了已故科学家爱因斯坦的预言。如果引力波没有被发现，爱因斯坦的理论就像没有腿的凳子，是有缺陷的。引力波的发现弥补了爱因斯坦广义相对论的漏洞，证实了其理论的正确性。
2.引力波的发现是类似当年发现X射线的工具。有了这个工具，我们可以通过观测引力波来观察遥远宇宙中的现象。发现暗物质，时间旅行等。都是可能的事情。没有引力波，以我们现有的技术，我们无法做科幻世界独有的事情。
3.引力波的不同之处在于，它们的周期长得多，同时也弱得多。要能观测到引力波，至少要有一定的技术水平。观测引力波表明，人类在这一领域的技术已经进步到了前所未有的水平。
4，随之而来的是新用途:如果引力波被证明具有雷管鸡预言的性质，将会极大地改变我们的生活。目前我们所有的太阳能电池都会改变雷管的锥形。到那时，我们使用的太阳能将是现在的五倍！！！但是火力发电的减少会减少雾霾、二氧化碳排放、大气变暖、酸雨，从而节约化石资源。多么光明的未来啊！想想就开心！
5.引力波的发现将改变物理世界，它将对整个人类的发展产生巨大的变化。人类将步入引力波世界。
引力波，承载着与电磁波完全不同的信息，将为我们揭示宇宙新的奥秘，甚至揭示宇宙起源的奥秘。
引力波是谁发现的
引力波是一个物理概念，可能很多人都不知道这是什么意思，更加不知道引力波是谁发现的，那么下面我就来跟大家说一说引力波是谁发现的。
简要回答
雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什三位美国物理学家在引力波研究方面做出了巨大的贡献，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。
详细内容
在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年 ，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果，因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下，引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中，因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。
在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候，曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下，加速物体能够对这个曲率产生变化，并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波，也可以理解为:一个大质量天体产生的引力，影响一定范围内比它质量小的天体，使它们产生负值的加速度，它们运动轨迹所形成的曲率变大，并且释放能量的现象。根据开普勒定律推导出:物体运动的速度和它运动轨迹所形成的曲率成反比。
当一个引力波通过一个观测者的时候，因为应变(strain)效应，观测者就会发现时空被扭曲。当引力波通过的时候，物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少，这个频率等于这个引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。绕转的双中子星系统被预测，在当它们合并的时候，是一个非常强的引力波源，由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度。由于通常距离这些源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小，形变效应小于1.0E-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。最为灵敏的探测是aLIGO，它的探测精度可以达到1.0E-22。更多的空间天文台(欧洲航天局的eLISA计划，中国的中国科学院太极计划，和中山大学的天琴计划)正在筹划当中。
引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式，比如光学望远镜和射电望远镜，所观测到，所以引力波天文学将给我们有关宇宙运转的新认识。尤其，引力波更为有趣的是，它能够提供一种观测极早期宇宙的方式，而这在传统的天文学中是不可能做到的，因为在宇宙再合并之前，宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以，对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。
在过去的六十年里，有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星 PSR1913+16。1974年，美国麻省大学的物理学家家泰勒（Joseph Taylor）教授和他的学生赫尔斯（Russell Hulse）利用美国的308米射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星，利用它的精确的周期性射电脉冲信号，我们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。2017年度诺贝尔物理学奖今天在瑞典授予雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什三位美国物理学家，以表彰他们在引力波研究方面的贡献，三人都在美国激光干涉引力波天文台（LIGO）工作。
新引力波发现什么是“新引力波”？
10月16日，科学家在美国华盛顿出席关于引力波事件的新闻发布会。
全球多国科学家16日同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。
美国东部时间8月17日8时41分（北京时间20时41分），美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）捕捉到这个引力波信号。此后2秒，美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。
10月16日，欧洲“处女座”（Virgo）引力波探测器项目发言人约·范登布兰德在美国华盛顿举行的新闻发布会上讲话。
全球多国科学家16日同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。
美国东部时间8月17日8时41分（北京时间20时41分），美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）捕捉到这个引力波信号。此后2秒，美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。
