理论上不该出现的黑洞，到底是怎么形成的？

2023年11月23日，LIGO–Virgo–KAGRA合作组利用引力波探测器，观测到了一个极端的引力波信号GW231123——这是由两个大质量黑洞在约70亿光年之外并合产生的引力波。

引人注目的是，这两个黑洞都表现出了非常极端的物理性质：其质量分别为约137倍和约103倍太阳质量，并且有着异常高的自旋——这令天文十分困惑，因为按照现有理论，这样的黑洞本应不存在。

如今，在一项新发表于《天体物理学报通信 》的研究中，一个天文学家团队通过对母恒星“从生到死”的过程进行全程模拟，他们找到了此前研究忽略的关键因素——磁场。

匪夷所思的存在

大质量恒星在生命末期会产生超新星爆发，其核心会坍缩成黑洞。但如果恒星处在某一特定质量范围内，就会发生一种特殊类型的超新星——“对不稳定超新星”，这种爆炸极为猛烈，会把整个恒星彻底摧毁，不留下任何残余物。

因此，天文学家一直认为，不会出现质量在约70到140倍太阳质量之间的黑洞。所以，当他们在GW231123事件中发现了处于这个“质量空隙”内的黑洞时，感到非常不解。

不过，这个质量空隙内的黑洞可以通过“间接方式”形成，例如两个黑洞并合成一个更大的黑洞。然而，科学家认为这种情况对GW231123来说并不成立。

这是因为黑洞并合是极其混乱的过程，往往会扰乱最终黑洞的自旋。而GW231123的两个黑洞却有着非常高的自旋，它们以接近光速的速度拖拽周围的时空——拥有如此质量和自旋的两个黑洞几乎不可能自然形成。

因此，GW231123对传统的黑洞形成机制提出了挑战。天文学家认为，一定存在其他机制来解释GW231123的情况。

磁场扮演关键角色

在新的研究中，研究人员对两个阶段进行了计算机模拟。

首先，他们模拟了一颗质量为太阳250倍的巨星，从氢燃烧开始一直到燃料耗尽并坍缩成超新星。当到达超新星阶段时，这样的大质量恒星已经消耗掉大量燃料，质量下降到约150个太阳质量，刚好位于质量空隙之上，并足以形成黑洞。

第二组模拟则更为复杂，他们将磁场纳入了考量，研究了超新星爆发之后的演化。过往的研究往往将磁场一笔带过，而这次的模型则是从超新星遗迹开始，这是一团掺杂着磁场的恒星物质云，其中心是新生黑洞。过去天文学家通常假设，这团云中的全部物质最终会落入黑洞，使黑洞的最终质量与其母星接近。但新的模拟结果显示，情况并非如此。

展示了一颗大质量恒星坍缩形成黑洞的各个阶段。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

如果黑洞是由一颗不旋转的恒星坍缩形成的，那么剩余的物质云的确会迅速落入黑洞；但如果这颗恒星原本自转得很快，那么这团物质就会形成一个旋转的吸积盘，导致黑洞随着吸积而转得越来越快。

而此时，如果还有磁场存在，那么它们会对这一吸积盘施加压力，这种压力足以把部分物质以接近光速喷射出去。这些外向流最终会减少盘中能够落入黑洞的物质量。磁场越强，这一效应越明显——在磁场极强的情况下，多达一半的母星质量都可能被喷出物抛射出去。而在GW231123的模拟中，这种磁场刚好能使最终形成的黑洞质量正好处于质量空隙范围之中。

一颗初始磁场较弱、并在坍缩过程中直接形成黑洞视界的恒星的演化过程：在坍缩早期，吸积盘产生的风会将恒星的大部分恒星包层剥离，从而减少能够落入黑洞的物质量。随着演化继续，黑洞外侧区域最终出现一股单侧喷流，它一方面使黑洞自旋减慢，另一方面将剩余的恒星物质进一步抛射出去。（视频/Flatiron Institute）

有待进一步验证

这些结果暗示着，黑洞的质量与其自旋速度之间可能存在联系。强磁场会减缓黑洞自旋，并带走部分恒星质量，从而形成更轻、转得更慢的黑洞；而弱磁场则会使黑洞更重、且自旋更快。这意味着黑洞可能遵循某种“质量-自旋模式”。尽管目前尚无其他系统可用来直接检验这一联系，但研究人员希望未来的观测能够找到类似系统，以便验证这一推测。

模拟还显示，这类黑洞的形成会产生伽马射线暴，可能具有可观测性。寻找这些伽马射线特征将有助于验证所提出的形成机制，并揭示此类大质量黑洞在宇宙中究竟有多常见。最终，如果这一联系得到证实，将帮助天文学家更深入地理解黑洞的基本物理。

#参考来源：

https://www.simonsfoundation.org/2025/11/10/mysterious-impossible-merger-of-two-massive-black-holes-explained/

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae0d81

#图片来源：

封面图&首图：Ore Gottlieb/Simons Foundation