宇宙深處傳來一則顛覆認知的消息:70億光年外,兩個本不該存在的黑洞以近乎瘋狂的速度旋轉著,它們的存在徹底打破了人類對黑洞形成的固有認知。這場宇宙懸案的破解,竟源于一個被長期忽視的“小角色”——磁場。
一切始于2023年11月23日,激光干涉引力波天文臺(LIGO)捕捉到一串特殊的引力波信號GW231123。分析顯示,這組信號源自兩顆黑洞的劇烈碰撞,但它們的參數卻讓科學家們集體陷入困惑:這兩個黑洞的質量均落在70至140倍太陽質量之間,而根據現有理論,這個區間本應是恒星坍縮形成黑洞的“禁區”。
恒星演化理論早已給出明確路徑:當大質量恒星燃料耗盡時,其核心會因引力坍縮形成中子星或黑洞。但若恒星質量超過130倍太陽質量,其核心會觸發“對不穩定性超新星”——一種足以將整個恒星徹底摧毀的劇烈爆炸,連形成黑洞的“種子”都不會留下。因此,70至140倍太陽質量區間被視為黑洞形成的“空白地帶”。
面對這一矛盾,科學家們最初提出“分層合并”假說:認為這兩個黑洞并非直接由恒星坍縮形成,而是由更小的黑洞通過多次合并逐步“成長”而來。然而,這一理論很快遭遇挑戰——黑洞合并過程會顯著改變其自轉速度,而觀測數據顯示,GW231123中的黑洞不僅質量特殊,其自轉速度更接近廣義相對論預測的理論極限。這種“又大又快”的特性,絕非簡單合并所能解釋。
轉機出現在弗拉蒂隆研究所計算天體物理中心的一項突破性研究。該團隊摒棄了傳統模擬中忽略磁場的簡化做法,首次運用廣義相對論磁流體動力學(GRMHD)模型,完整模擬了恒星從演化到坍縮為黑洞的全過程。結果令人震驚:磁場并非無關緊要的“背景板”,而是決定黑洞命運的“關鍵操盤手”。
模擬顯示,當巨型恒星坍縮時,部分物質并未落入中心形成黑洞,而是圍繞新生黑洞高速旋轉,構成吸積盤。此時,磁場開始發揮其“隱形之手”的作用:它像一條無形的繩索,緊緊束縛住吸積盤,并通過磁力線將盤內近一半的物質以接近光速的速度拋射出去。這一過程如同為黑洞“瘦身”,使其質量恰好落入原本被視為禁區的70至140倍太陽質量區間。同時,磁場的拋射作用還為黑洞注入了額外的角動量,使其自轉速度飆升至接近理論極限。
這項發表在《天體物理學雜志快報》的研究不僅為GW231123中的黑洞“補全了戶口”,更揭示了黑洞質量與自轉之間的“磁耦合關系”:磁場強度與物質拋射量直接相關,進而決定黑洞的最終質量與自轉速度。例如,強磁場會導致大量物質被拋射,形成小質量、慢自轉的黑洞;而弱磁場則保留更多物質,催生大質量、快自轉的黑洞。GW231123中的黑洞,恰好處于磁場作用的“黃金平衡點”,因此呈現出“中等質量+極速自轉”的獨特組合。
對于天文學家而言,這一發現意味著新的觀測線索:根據理論預測,此類特殊黑洞形成時可能伴隨強烈的伽馬射線暴(GRB)。未來,若能同時探測到引力波信號與伽馬射線閃光,將徹底驗證磁場理論的正確性。與此同時,LIGO等引力波探測器的角色也將從單純的“信號接收器”升級為“黑洞誕生記錄儀”,為人類揭開更多宇宙謎團提供關鍵證據。
從愛因斯坦預言引力波到人類首次直接探測到它,再到如今破解黑洞“違規”之謎,宇宙始終在以意想不到的方式挑戰人類的認知。GW231123的故事再次提醒我們:那些被視為“次要因素”的物理機制,或許正握著改寫宇宙規則的鑰匙。











