由熨斗研究所的天體物理學家及其合作者領導的一系列廣泛的計算機模擬表明，磁場是黑洞形成背後缺失的因素，黑洞的質量處於曾經不可能的範圍內。
2023 年，天文學家目睹了一件令人難以置信的事件：兩個距離大約 70 億光年的巨大黑洞相撞。它們的巨大尺寸和快速旋轉令人費解。根據現有理論，這樣的黑洞不應該存在。
熨斗研究所計算天體物理中心 (CCA) 和合作機構的研究人員現已發現這些宇宙巨星是如何形成和碰撞的。通過追踪產生這些黑洞的恆星的生命週期，研究小組發現磁場——在早期模型中長期被忽視——發揮著至關重要的作用。
CCA 的天體物理學家、該研究的主要作者奧雷·戈特利布 (Ore Gottlieb) 解釋說：“沒有人像我們一樣考慮過這些系統；以前，天文學家走了捷徑，忽略了磁場。” 天體物理學期刊快報。 “但是通過考慮磁場，你可以真正解釋這一特定事件的起源。”
2023年的碰撞讓人們對黑洞理論產生了懷疑
這次宇宙碰撞，現在被稱為 GW231123，是由 LIGO-Virgo-KAGRA 天文台探測到的，該天文台測量引力波，即天空中大規模運動產生的時空漣漪。
在發現它們時，天文學家無法理解如此巨大且快速的黑洞是如何形成的。當一顆大質量恆星耗盡燃料時，它通常會坍縮並爆炸成超新星，留下一個較小的黑洞。然而，一定質量範圍內的恆星會經歷一種特別劇烈的爆炸，稱為雙星不穩定超新星，它會完全摧毀恆星。
“由於這些超新星，我們預計不會產生質量約為太陽 70 至 140 倍的黑洞，”戈特利布說。 “因此，在那個空隙中看到具有質量的黑洞是令人驚訝的。”
模擬揭示了起作用的隱藏力量
一種可能的解釋是，黑洞通過較小黑洞的合併在這個“質量間隙”內間接形成。但就 GW231123 而言，這似乎不太可能。合併通常是混亂的，破壞了由此產生的黑洞的旋轉。然而，GW231123 中涉及的兩個黑洞正在以接近光速的速度旋轉——這是有史以來最快的——使得這種情況不可能發生。
為了解開這個謎團，戈特利布和他的團隊進行了兩階段模擬。首先，他們模擬了一顆質量為太陽 250 倍的大恒星的生與死。當它爆炸為超新星時，它已經燃燒了足夠的燃料，收縮到約 150 個太陽質量，高於理論質量差距，留下了一個黑洞。
下一階段引入了磁場。該模型從超新星的殘餘物開始：一團由恆星碎片組成的圓形雲，帶有磁場，中心有一個新生的黑洞。以前的理論假設所有剩餘的物質都會落入黑洞，但新的模擬描繪了一幅不同的圖景。
磁力如何重塑墜落恆星的命運
如果墜落的恆星不旋轉，周圍的物質就會直接落入黑洞。但當恆星快速旋轉時，這些物質會在黑洞周圍形成一個圓盤，隨著時間的推移不斷供給和旋轉。然而，磁場會中斷這個過程。它們的壓力可以以接近光速的速度將一些材料推出，防止其向內落下。
這種物質的噴射減少了黑洞吸收的物質量。磁場越強，噴射出的質量就越多。在極端情況下，原始恆星的一半質量可能會因這些流出而損失。在團隊的模擬中，這種機制自發地產生了一個黑洞，其質量一度落入“禁區”範圍。
戈特利布說：“我們發現旋轉和磁場的存在可以從根本上改變恆星塌縮後的演化，因此黑洞的質量可能明顯小於塌縮時的總質量。”
黑洞質量和自旋的關係
結果顯示黑洞的質量與其旋轉速度之間存在有趣的關係。更強的磁場可以減慢黑洞的旋轉並消除更多的恆星質量，從而產生更小、更慢的黑洞。另一方面，較弱的磁場允許更重和更快的旋轉。這個模型可能揭示了連接質量和自旋的更廣泛的定律，未來的觀察可能會證實這種關係。
迄今為止，還沒有已知的黑洞測試過這種聯繫，但天文學家希望未來的探測能找到更多像 GW231123 這樣的例子。
從最黑暗的事件中爆發出的光芒
模擬還預測，這些磁性過程在黑洞形成過程中會產生伽馬射線爆發。探測這種伽馬射線閃光可以幫助證實這一理論，並表明這種巨大的黑洞是否真的很常見。
如果得到證實，這些發現不僅可以解釋“不可能”的碰撞，還將重塑科學家對宇宙中最極端和最迷人的物體之一的理解。
