香港中文大學參與國際科學家團隊發現目前最重的黑洞碰撞可能是玻色子星合併

香港中文大學一名本科生梁軒瑋參與的一個國際科學家團隊，最近提出以兩顆玻色子星（奇特星的其中一種星體）對撞去解釋重力波訊號 GW190521的起源。在眾多假想的奇特星之中，玻色子星最為簡單，而且玻色子被認為是有可能構成宇宙中的暗物質的粒子。在這假設下，研究團隊估算出構成這些星體的新理論粒子即超輕玻色子的質量比電子的質量小數十億倍。

團隊由前中大物理學系教授、現任加利西亞高能物理研究所的胡安·卡爾德隆·布斯蒂略（Juan Calderón Bustillo）博士，與阿威羅大學和里斯本大學高級技術學院（Instituto Superior Técnico, University of Lisbon）博士後研究員尼古拉斯·桑奇斯-古拉（Nicolás Sanchis-Gual）博士所領導。來自瓦倫西亞大學（University of Valencia）、阿威羅大學和蒙納士大學（Monash University）的合作者及中大二年級本科生梁軒瑋同學亦參與其中。

重力波是在時空結構中以光速傳播的漣漪。愛因斯坦的廣義相對論預測，劇烈天文事件所產生的重力波包含了有關事件起源的訊息。自2015年起，國際科學合作組織激光干涉儀重力波觀測站（簡稱 LIGO Scientific Collaboration）和室女座重力波團隊（Virgo Collaboration，簡稱 Virgo）的先進探測器已經觀測到約50道重力波訊號，這些訊號來自宇宙中兩個最神秘的物體合併 — 黑洞和中子星。

2020年9月， 激光干涉儀重力波觀測站和室女座重力波團隊，宣佈探測到重力波訊號 GW190521。中大物理學系副教授黎冠峰教授領導的中大研究小組早前亦有積極參與該訊號的數據分析，指出訊號源於兩個質量分別為85個和66個太陽質量的黑洞碰撞，最終產生了一個142個太陽質量的黑洞。後者是有史以來第一個發現的中介質量黑洞。黎冠峰教授指出：「這一發現至關重要，因為長期以來中介質量黑洞一直被認為是由恆星塌陷形成的恆星質量黑洞，以及隱藏在星系中心的超大質量黑洞之間一塊缺失的拼圖。」

儘管GW190521訊號極具意義，它對現今恆星演化的理論卻帶來極大挑戰，因為對撞的其中一個黑洞有一個不合符理論的質量。因此，研究團隊提出雙黑洞對撞以外的另一種可能性。桑奇斯-古拉博士解釋說：「玻色子星幾乎像黑洞一般密度非常大，但不同的是，它們沒有被稱為事件視界（event horizon）的疆界，以致事物一旦跨越了便不能逃逸。它們碰撞時會形成一個極度不穩定的玻色子星，最終塌陷成一個黑洞，並產生與去年激光干涉儀重力波觀測站和室女座重力波團隊探測一致的訊號。與由一般物質構成的星體不同，玻色子星由超輕玻色子組成。這些玻色子是眾多有潛力的暗物質模型中其中一個，而暗物質佔據了宇宙約百分之二十七的質能。」

團隊將 GW190521 訊號與電腦模擬的玻色子星合併所發出的訊號作比較，發現它比激光干涉儀重力波觀測站和室女座重力波團隊的分析能更好地解釋相關數據。結果顯示，訊號來源的特性與激光干涉儀重力波觀測站和室女座重力波團隊的結論完全不同。布斯蒂略博士解釋：「當我們不再談論黑洞碰撞，便不用擔心『不允許的質量』問題。其次，由於玻色子星合併所產生的重力波比起黑洞合併微弱很多，我們計算出的距離因此比激光干涉儀重力波觀測站和室女座重力波團隊估計的近，形成的黑洞質量亦相對地重，大約為 250 個太陽質量。所以我們依然觀察到中介質量黑洞的形成。」

儘管研究方法的設計傾向有利於黑洞合併的假設，但是，即使未能下定論，數據分析仍然稍微偏向支持玻色子星合併的理論。當前的玻色子星模擬的計算框架相當有限並且有很大改進空間，研究團隊會繼續開發一個更完善的模型，並對其他相似的重力波觀測作更深入的研究。

這個發現不單是對玻色子星的首次觀測，亦是對構成它的粒子 — 超輕玻色子的首次觀測。這種超輕玻色子曾被提出為組成暗物質的粒子，研究團隊亦能夠測量這種新暗物質粒子的質量，並且可以肯定地排除零質量的可能性。科學家已很長時間在尋找暗物質粒子，如果隨後對 GW190521 的進一步分析和其他重力波觀測能證實這種粒子的存在，這次結果將會成為首次直接觀測到暗物質粒子的證據。

【圖、文：節錄自香港中文大學2021年2月25日新聞公佈】研究全文刊登在2021年2月24日出版的《物理評論快報》