引力波证明宇宙维度（科学家难以判断其真实身份）

最近，科学家们在宇宙中发现了一颗神秘的引力波源，来自于一颗黑洞的饕餮事件。可是，对于那颗被黑洞吞噬的天体，科学家们却犯了难，甚至完全不知道它到底是一颗黑洞，还是一颗中子星。

（图片说明：新发现天体的神秘身份让科学家犯了难）

事情还要从去年8月说起，当时激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)合作发现了一颗黑洞吞噬中子星的事件。可是，这次名为GW190814到现在反而出现了重重迷雾，因为他们对于那颗被吞噬天体的身份，产生了深深的怀疑。而让科学家存疑的关键，就在于它的质量。这事，还要从恒星的演化说起。

我们都知道，中子星和黑洞都是大质量恒星死亡后留下的致密星。

理论上说，一颗质量为太阳8-30倍的恒星在超新星爆发后，会将绝大部分物质吹散到宇宙空间，只留下一个核心。对于这种恒星来说，即使是残留的核心也非常重，质量可以超过太阳的1.4倍。在这个过程中，电子简并压已经承受不住巨大的压力，导致电子被挤压进原子核，与原子合并为中子，于是就形成了中子星。

同时，原质量大于太阳30倍的恒星爆发后，残留的内核质量也将突破托尔曼·奥本海默·沃尔科夫极限(TOV极限)，也就是我们说的奥本海默极限。在这种情况下，这颗内核就会继续坍缩，变成一个黑洞。

（图片说明：奥本海默极限是区分黑洞与中子星的临界点）

这个说法已经足够明确：中子星的质量不会超过奥本海默极限，黑洞也不可能比这个极限质量更小。然而实际情况是：我们目前还没发现过临界值附近的中子星或者黑洞，从没有一颗质量超过太阳2.3倍的中子星或者小于太阳5倍质量的黑洞被发现。很多人甚至猜测，在中子星和黑洞之间，可能还有一种叫做夸克星的天体。对于这个断层，科学家称之为质量空白（mass gap）。

GW190814的出现，填补了这个空白，却也带来了新的问题。

通过引力波的探测，科学家发现，GW190814中较大的黑洞质量约为太阳的23倍，是一颗典型的恒星级黑洞。而另一颗的质量则是太阳的2.6倍，十分接近临界值。

这个数字让它的身份非常尴尬，让科学家很难下结论：我们发现的到底是最大的中子星，还是最小的黑洞呢？

伊利诺伊州西北大学的天体物理学家Vicky Kalogera表示：“这颗神秘的天体可能是与黑洞合并的中子星，这种可能值得期待，但是又未完全证实。它的质量是太阳的2.6倍，超过了现代对于中子星质量上限的预测，反而可能成为史上最轻的黑洞。”

科学家之所以有这样的困惑，就在于没有人知道奥本海默极限到底是多少。此前我们认为大约是太阳质量的3倍，但目前的理论认为它介于太阳质量的2.2-2.4倍之间。

2017年，天文学家同样是借助LIGO和Virgo合作的项目，发现了中子星合并事件GW170817。其中一颗中子星的质量被测定为太阳的2.7倍，也超过了奥本海默极限，但最终被证明数据有误，实际质量只有太阳的2.3倍。

（图片说明：艺术家模拟GW190814的动画）

科学家认为，质量落在这个范围内的天体，本就有可能在两种形式的致密星中都有存在。本次观测GW190814的团队就计算得出：如果按照太阳质量的2.3倍来算，那么这颗天体是中子星的概率仅有3%。研究人员也在论文中指出：“GW190814可能不是中子星-黑洞结合的产物，虽然我们初步分析后给出了这样的分类。不过即便如此，由于（奥本海默极限的）尚未确定，所以伴星是中子星的可能性也不能完全消除。”

实际上，GW190814带来的疑惑还不止这一个。更加让科学家们头疼的，还在后面。

（图片说明：GW190814黑洞吞噬中子星的模拟动画）

在此之前，我们利用引力波发现的致密星合并事件都是在两颗质量比较接近的天体之间发生的。今年早些时候，科学家发现一对质量比达到3:1的天体合并事件就已经非常兴奋了，而GW190814则更加夸张，达到了9:1。

根据现有的理论，这样的双星系统形成大概有两种模式。

• 两颗恒星诞生于同一片星云，一起度过一生然后死亡，留下两具残骸；
• 二者各自独立形成，但是后来走到了一起，成为了“半路夫妻”。

（图片说明：艺术家模拟引力波发现的极不对称的撞击事件画面）

问题在于，不论是这两种理论中的哪一个，都不太可能会出现如此悬殊的质量比。考虑到GW190814被发现的时候，距离人类第一次发现引力波（2015年）才只有4年的时间，我们有理由相信这样的情况在宇宙中可能非常常见。这意味着，我们的理论再一次遭到了挑战。

同时，这样的质量差也给这次合并事件更增加了一层神秘的面纱。如果质量相对比较接近，我们可以探测到二者合并过程中的“激烈搏斗”。而这样悬殊的质量差，用Kalogera的话说，简直就是游戏里的小人吃豆豆，小的天体一下子就被大的天体吞噬，根本没有留下太多可以观测的信息。

（图片说明：科学家对利用引力波发现的天体撞击事件汇总图片，看得出来绝大部分的质量差距都极小，而本次发现的GW190814位于中间，质量差距非常惊人）

而且，GW190814发生在大约8亿光年以外，如此遥远的距离也给观测带来了一定的难度。要知道，2017年时我们观测到的一次双中子星合并，不仅释放出可以探测的闪光，而且距离也只有这一次的1/6。

我们不太可能通过GW190814来获得本次合并的信息，如果想要破解这些谜题，只能通过发现更多类似的致密星合并事件来寻找蛛丝马迹。包括所谓的质量空白，或许只是因为我们的观测还不够多，也许越来越多2.3-5倍太阳质量之间的致密星会在未来被发现。

（图片说明：艺术家模拟两个质量相差9倍的黑洞螺旋合并过程中的画面）

可以肯定的是，这一次事件暗示着一个非常广阔的未来，我们还有大量的理论需要建立，或者是重建。关于宇宙，我们还有太多的课需要上。如果宇宙是一条河，我们所掌握的知识，可能就只是一粒沙吧……