不符模型預測的異常黑洞尺寸，強磁場為幕後推手
2023 年，天文學家發現一場戲劇性宇宙事件，離地球約 70 億光年處有 2 個異常巨大黑洞相撞，其尺寸、轉速理論上都不應存在。現在一系列詳細模擬解開謎團，關鍵在於強大磁場可能催生出質量異常的黑洞並影響其自轉。
LIGO-Virgo-KAGRA 重力波合作計畫曾於 2023 年探測到最大雙黑洞合併重力波事件 GW231123，2 個質量分別為太陽 137、103 倍的黑洞碰撞結合成太陽質量 225 倍的新黑洞，起初，科學家們無法理解如此重且快速旋轉的黑洞如何形成。
一般來說，大質量恆星經歷超新星爆炸後可能留下黑洞，但質量介於太陽 130～250 倍的更大恆星，生命末期應該經歷更劇烈的生對不穩定超新星（pair-instability supernova）爆炸，會完全摧毀恆星不留任何殘骸，包括黑洞。
也因此，天文學家預計一個黑洞的初始質量不可能落在太陽質量 70～140 倍。
雖然另一種可能性指出 2 個較小黑洞合併，可能形成出現在上述質量空隙的黑洞，但這項假設不適用 GW231123 事件，因為黑洞合併是高破壞性事件，通常會擾亂黑洞旋轉，然而 GW231123 事件的黑洞旋轉速度比 LIGO 此前測量任何黑洞都還快，依靠典型合併形成如此巨大、快速旋轉的黑洞可能性極低，表明黑洞一定由其他過程形成。
美國熨斗研究所計算天文物理中心（CCA）天體物理學家 Ore Gottlieb 團隊為此進行 2 種模擬，第一種先模擬質量為太陽 250 倍的巨星生命演化，當巨星進入超新星階段，它已燒掉大量燃料並縮小至太陽質量 150 倍，略高於質量空隙但有機會留下黑洞。
第二種模擬則考慮磁場因素，以往天文學家假設充滿磁場的超新星殘骸（物質雲）全部質量都都會落入新生黑洞，但新模擬顯現不同細節。
研究人員解釋，如果最初的恆星已快速旋轉，那麼爆炸殘餘物質雲會在新生黑洞周圍形成旋轉盤，並於墜入過程導致黑洞旋轉得越來越快；磁場還會對物質盤施加壓力，以接近光速使物質從黑洞噴出來，最終減少流入黑洞物質數量，若磁場極端強大，則一半恆星原始質量都不會落入黑洞，最終促成介於質量空隙的黑洞形成。
磁場改變結局
分析結果表明黑洞質量、自旋速度與磁場息息相關，強磁場能減慢黑洞速度並帶走部分恆星質量，從而產生更輕、旋轉更慢黑洞，弱磁場則可能導致黑洞變重且旋轉加快。
模擬還指出此類型黑洞形成會產生可觀測的伽馬射線爆發，尋找伽馬射線特徵將有助確認模擬形成過程。若磁場與黑洞尺寸、旋轉速度的關係得到證實，將幫助天文學家更理解黑洞基本物理。
新論文發表在《天文物理期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）。
（首圖來源：AI 生成）