54 不可能存在的黑洞：中等质量黑洞

2020年9月出了个物理学大新闻，当年发现引力波的超大实验仪器LIGO，发现了一个极其奇怪的引力波信号。这个信号告诉我们，要么是我们现在的黑洞理论有问题，要么是出现了一种全新的、从未观测到过的，也没有任何理论预言过的新型奇怪天体。

LIGO发现了一个142倍太阳质量的黑洞，这个黑洞是由两个小一点的黑洞合并而成的，一个是65倍太阳质量，另一个是85倍太阳质量。恰恰是85这个数字太奇怪了，根据我们现有的黑洞理论，不应该存在85倍太阳质量的黑洞。根据前文提到的，黑洞的质量可以较小，也可以极大。例如，10倍太阳质量的黑洞是可能存在的，几十亿倍太阳质量的黑洞也是可能存在的。银河系中心，就有一个几十亿倍太阳质量的黑洞。

65～130倍太阳质量左右的黑洞叫作中等质量黑洞，但这个质量区间的黑洞根据理论不应该存在，因为“对不稳定性”（pair-instability），这就需要一些粒子物理知识了。我们知道粒子和它的反粒子碰到一块就会湮灭，例如电子和正电子碰到一起会湮灭，变成光子。这个反应如果反过来，也有可能发生。当光子能量很高时，它们可以碰撞出正反电子对。当一个恒星质量较大，比如100倍太阳质量的时候，它的引力非常强，内压很大，内部光子能量非常高，会发生光子碰撞出正反电子对的效果。一个恒星之所以拥有固定大小，没有在引力作用下坍缩成一团，是因为内部核反应产生能量向外释放，把引力平衡了。可一旦发生了光子对变成正反电子对的反应，正反电子对向外支撑的力是没有原本光子的光压强大的，这样的话引力占据上风，天体要往里坍缩。并且由于天体质量大，这一坍缩，其实是在向内部急剧压缩，会在短时间内提升能量密度，产生巨大反扑，这会让天体喷发出巨大能量和大量物质，这就是“对不稳定性”。

就算天体本来的质量可以形成中等质量黑洞，这些物质也在大型喷发中被甩出去了，留下来的物质的量达不到中等质量黑洞的质量。但另一方面，超大质量黑洞有可能形成，就是因为质量极大，产生的引力也极强，刚才说的喷发还是无法超过引力的收缩趋势，物质不会被大规模甩出去。只有刚好卡在中间这个量级，物质才会因为“对不稳定性”被大幅甩出，等到天体质量降到中等质量黑洞以下就不存在“对不稳定性”了，物质不会继续被甩出。所以根据理论，中等质量黑洞不应该存在。

这次既然发现了中等质量的黑洞，就说明原本的黑洞理论有问题，至少它还不够完善。除非是出现了一种奇怪的新型天体。奇怪的点是，这个天体应该不是球形的，单个球形天体是发不出引力波的。根据广义相对论，一个中心对称的东西，是无法发出引力波的，我们现在接收到的引力波都是一大一小两个黑洞相互围绕旋转，直到合并在一块所产生的。一大一小双黑洞围绕旋转，保证了这个系统不是中心对称，就保证了引力波的产生。黑洞合并保证了动静够大，我们才能够用LIGO探测到它们的引力波。如果是一种新型天体，这个天体还发出了引力波动，说明质量一定不小，并且它一定不是球形。但质量那么大的天体，引力那么强，怎么都应该已经把自己变成一个球了。

无论如何，两种可能性都对我们的物理学理论提出了挑战。这应该是实验物理的一次大胜利，因为它带给了我们全新的未知现象。