最小黑洞与最大中子星的质量间隙会给理论带来什么惊喜

2019年8月14日，一束引力波接二连三地撞击LIGO和VIRGO等天文台。从检测到的引力波的形状，合并物体的质量被计算为23.2和2.6个太阳质量。从各个天文台收到信号的时间分析，该事件的位置可以缩小到天空中的一些小弧线。不幸的是，在这么大的区域里有无数的星系，所以一开始我们不知道合并发生在哪个星系。

尽管如此，许多望远镜还是迅速旋转以扫描该区域，希望能发现一丝微弱的闪光——这是合并伴随的爆炸性事件，那束光携带了大量关于碰撞时的信息。但是这次事件没有这么幸运，我们没有找到电磁对应物。这可能是因为事件发生的位置离我们太远，光到达我们这里已经太微弱以至于无法看到。也有可能是碰撞本身没有伴随的爆炸，如果两个物体都是黑洞，或者一个较小的中子星被黑洞吞噬，情况就是如此。

在此次引力波事件中，2.6个太阳质量的天体引起了科学家的兴趣，因为它处于黑洞与中子星的质量间隙中。因为我们没有探测到光信号，所以无法确定它到底是黑洞还是中子星。所以我们不禁想要问：中子星和黑洞的质量边界到底在哪里？它的出现会给我们带来怎样的新想法？

中子星

中子星是大质量恒星爆炸为超新星后留下的核心，它的致密性使中子星的表面重力比地球强约1000亿倍。科学家认为，在中子星起床是非常困难的，更困难的是从中子星逃逸。中子星的逃逸速度高达光速的一半，事实上中子星已经处于黑洞边缘了，只要你能往中子星内再塞进一点物质，逃逸速度就会增加，它就有可能会变成黑洞。

在普通物质的情况下，我们不能仅仅增加质量来制造黑洞。因为当你这样做的时候，物体的半径也会增加，表面离中心会更远，我们就不能得到额外质量的全部影响了。但中子星不是由普通物质构成的，那个中子球基本上是一个量子力学物体，它的一个奇怪特性是：当你增加质量时，它的尺寸实际上会变小。

我们可以把中子星假想的事件视界放置在其内部。当我们增加中子星的质量时，这个视界会扩大，而中子星的半径会缩小。当中子星的半径与视界重叠时，它就变成了一个黑洞。这个原理已被广泛接受，但我们仍然不知道中子星在变成黑洞之前的质量有多大。这不是因为我们的理论是错误的，而是因为理解中子星中奇异物质状态所需的计算是可怕的，而且还有一些我们所不知道的细节。中子星中物质状态的细节决定了中子星大小随质量的变化。

质量间隙

现在，如果我们能够瞥见中子星的内部结构，我们就能更好地做出这一理论预测，这个机会就出现在中子星合并的时候。在2017年探测到的中子星合并事件中，我们通过它们盘旋在一起时的扭曲方式，以及碰撞后喷出的物质，了解了很多关于这些天体结构的信息。我们还在伽马射线爆发中看到了这些合并的结果。

有了这些信息，我们估计最大的中子星质量在2.2到2.4个太阳质量之间。对于中子星质量的直接测量来自脉冲星，大多数脉冲星更接近约1.4个太阳质量的最小中子星质量，迄今为止测量到的最大质量约为2.1个太阳质量。所有这些数字都比2.6个太阳质量低得多。如果它是中子星，那么它将置于理论极限，并可以告诉我们更多关于内部物质状态的信息。如果它是一个黑洞，那么它更令人惊讶：到目前为止，我们从未观察到质量低于5个太阳质量的黑洞，

最大的中子星和最小的黑洞之间似乎存在质量差距，这看起来很奇怪，但却是我们所期望的。当大质量恒星死亡并且核心太大而不能成为中子星时，就会形成新的黑洞。但是我们却没有得到从中子星到黑洞的质量平滑过渡，这是因为当恒星核心坍缩形成中子星时，大部分物质会以超新星形式反弹，但如果那颗中子星变成了黑洞，一些物质就会被重新吸入黑洞之中，这大大增加了黑洞的质量。根据我们对恒星演化的计算和模拟，5个太阳质量的最小黑洞似乎是正确的。

所以2.6个太阳质量的黑洞很难得到解释，如果我们发现这个物体不可能是中子星，那么我们将不得不设计新的关于恒星死亡的模型，或者找到其他方法来制造超小黑洞。