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54 不可能存在的黑洞:中等质量黑洞

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2020年9月出了个物理学大新闻,当年发现引力波的超大实验仪器LIGO,发现了一个极其奇怪的引力波信号。这个信号告诉我们,要么是我们现在的黑洞理论有问题,要么是出现了一种全新的、从未观测到过的,也没有任何理论预言过的新型奇怪天体。

LIGO发现了一个142倍太阳质量的黑洞,这个黑洞是由两个小一点的黑洞合并而成的,一个是65倍太阳质量,另一个是85倍太阳质量。恰恰是85这个数字太奇怪了,根据我们现有的黑洞理论,不应该存在85倍太阳质量的黑洞。根据前文提到的,黑洞的质量可以较小,也可以极大。例如,10倍太阳质量的黑洞是可能存在的,几十亿倍太阳质量的黑洞也是可能存在的。银河系中心,就有一个几十亿倍太阳质量的黑洞。

65~130倍太阳质量左右的黑洞叫作中等质量黑洞,但这个质量区间的黑洞根据理论不应该存在,因为“对不稳定性”(pair-instability),这就需要一些粒子物理知识了。我们知道粒子和它的反粒子碰到一块就会湮灭,例如电子和正电子碰到一起会湮灭,变成光子。这个反应如果反过来,也有可能发生。当光子能量很高时,它们可以碰撞出正反电子对。当一个恒星质量较大,比如100倍太阳质量的时候,它的引力非常强,内压很大,内部光子能量非常高,会发生光子碰撞出正反电子对的效果。一个恒星之所以拥有固定大小,没有在引力作用下坍缩成一团,是因为内部核反应产生能量向外释放,把引力平衡了。可一旦发生了光子对变成正反电子对的反应,正反电子对向外支撑的力是没有原本光子的光压强大的,这样的话引力占据上风,天体要往里坍缩。并且由于天体质量大,这一坍缩,其实是在向内部急剧压缩,会在短时间内提升能量密度,产生巨大反扑,这会让天体喷发出巨大能量和大量物质,这就是“对不稳定性”。