十多年來，天體物理學家一直想知道為什麼自然界在摧毀恆星的方式上顯得如此剋制。在生命中，它們的範圍從弱小者到龐然大物。小恆星只是燃盡並消失，但對於巨型恆星來說，會發生更奇怪的事情。當這樣一顆恆星死亡時，它巨大的體積會導致其內部坍縮，形成核心坍縮超新星。這個過程引發了一場災難性的爆炸，並將一些殘骸壓縮成天體異物——通常是中子星，或者對於最重的太陽來說，是黑洞。然而，在這兩類大質量恆星屍體的重量等級之間，似乎存在著明顯的裂痕。儘管天文學家已經發現了重量高達約兩個太陽質量的中子星，以及輕至五個太陽質量的黑洞，但中等重量的屍體卻完全消失了——直到現在。
2020年6月，雷射干涉引力波天文臺（LIGO）科學合作組織宣佈首次確鑿地探測到一顆恆星殘骸落入所謂的質量 gap，即中子星和黑洞之間。經過數月的計算，LIGO和義大利的室女座引力波探測器的研究人員得出結論，2019年8月在地球上傳播的引力波——一個名為GW190814的事件，最初被歸類為黑洞吞噬中子星——實際上來自一個23太陽質量的黑洞吞噬了一個神秘的2.6太陽質量的天體。無論這個較小的天體是已知最重的中子星還是已知最輕的黑洞，或者是一種真正奇異的野獸，例如由不同於正常恆星粒子的粒子組成的恆星——它的存在都表明，描述最極端恆星命運的理論需要更新。
“我肯定會將此列為自最初的二元黑洞發現以及首次探測到中子星碰撞以來，我們從LIGO看到的、最令人興奮的公告，”雪城大學的引力波天文學家鄧肯·布朗說，他沒有參與這項研究。“我們正在探索對宇宙天體物理學理解的新領域。”
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這項新發現暗示，宇宙在處理恆星的方式上可能比研究人員想象的更自由。無論這種自由意味著原子積木具有足夠的強度來支撐更巨大的中子星，還是超新星可以鍛造更小的黑洞，LIGO的探測都縮小了這兩種最合理的場景之間的差距。
“我認為，將質量 gap 視為一個真正的、空無一物的 gap 的想法正在逐漸被打破，”加州州立大學富勒頓分校的LIGO成員菲利普·蘭德里說。“這將是棺材上的又一顆釘子。”
從基本物理學的角度來看，分隔中子星和黑洞的界限非常細微。如果你將一個蘋果扔到一個接近其組成中子的承受極限的中子星上，它會突然坍縮成一個黑洞。已知最重的中子星的重量是我們太陽質量的2.14倍。核理論家懷疑，這些天體的質量可能會變得更大，最樂觀的模型認為，物質完全分解的質量為2.5個太陽質量。基於這些理論，LIGO合作組織計算出GW190814中較輕的伴星是中子星的可能性小於3%。蘭德里說，如此重的中子星將是“徹底的遊戲規則改變者”。
儘管他們永遠無法收集任何獎金，但大多數天體物理學家都會打賭，2019年的合併事件涉及到一個大黑洞吞噬了一個小得難以置信的黑洞。但是，儘管核理論使這種情況比一個涉及單個黑洞和中子星的情況更合理，但它仍然挑戰了關於此類系統如何形成的最好理論。“基本上，”蘭德里說，“總得有什麼東西讓步。”
據天體物理學家所知，製造一個品脫大小的黑洞——然後再把它餵給一個更大的黑洞——對於宇宙來說應該是一個幾乎無法逾越的障礙。創造這樣一個微小伴星的一個可想象的方法是將兩個龐大的中子星 mashup 在一起，LIGO在2017年目睹了這一事件。然而，一個特殊的配對環境（例如，一個充滿恆星屍體的混亂星系中心）將兩個中子星聚集在一起，並且還設法用一個更大的伴星建立起由此產生的質量 gap 黑洞的可能性有多大？“沒有什麼可以禁止它，”亞利桑那大學的天體物理學家費里亞爾·厄澤爾說，她沒有參與LIGO。“但這更像是一部肥皂劇。”
對許多人來說，最簡單的選擇是，迷你黑洞像大多數黑洞一樣，直接誕生於一顆垂死恆星的核心。恆星死亡的基本原理很簡單：恆星吹掉一個巨大的外殼，留下其核心坍縮成黑洞或中子星。但是，預測涉及引力、熱力學和粒子物理的混亂爆炸的確切後果，代表著天體物理學家仍在努力解決的宇宙期末考試。“拿起物理學綜合百科全書，”布朗說，“你可能需要其中的幾乎每一部分物理學知識來模擬超新星。”
因此，當厄澤爾領導的團隊在2010年分析了已知的 Neutron 星和黑洞群，並得出結論，沒有一個可能介於兩個到五個太陽質量之間時，超新星研究人員抓住了機會，對這個神秘莫測的過程施加更有意義的限制。一幅粗略的圖景浮現出來，其中快速、猛烈的爆炸乾淨利落地噴射出恆星的大部分物質，留下裸露的核心收縮成一個經典的、可能重達兩個太陽質量的中子星。然而，在較溫和的災變中，一些碎片未能逃逸，並撞回中子星。這種物質可能會（方便地）增加至少三個太陽質量，產生一個重量至少為五個太陽質量的黑洞。
因此，這個空曠區域成為了理論家的工具，西北大學的天體物理學家、LIGO成員薇姬·卡洛傑拉說。她和她的同事問自己，“我需要對核心坍縮機制做什麼，才能創造出 gap？”她說。
LIGO對質量 gap 的發現暗示，也許他們不必費心了：一個2.6太陽質量的恆星黑洞會表明，沒有如此嚴格的規定適用。超新星可能可以自由地尋找中子星和黑洞之間的基本界限，從而從天體物理學期末考試中刪除一項繁重的規定。“我認為這幾乎說明了不存在質量 gap，”布朗說。
然而，中子星和黑洞之間的分界線很可能仍然是一種宇宙傾向，而不是規則。厄澤爾說，如果你天真地看待恆星的大小，你就會得出結論，黑洞應該無處不在。它們的相對缺失仍然向她表明，超新星可能在某種程度上聯合起來反對它們。“可能這些天體非常難以製造，但偶爾，超新星爆炸會將你帶到那裡，”她說。此外，研究人員仍然需要弄清楚，為什麼質量 gap 似乎分隔了在X射線下看到的黑洞和中子星雙星，而不是引力波探測到的黑洞和中子星雙星。
只有探測到更多看似不可能的天體，才能得到確定的答案。如果伴星的質量相似，或者在合併時發出可見閃光（碰撞的黑洞預計不會像合併的中子星那樣發出光爆，至少在原則上是這樣），LIGO可以區分微小的黑洞和大中子星。然而，即使模糊不清的事件繼續堆積，僅僅觀察質量的分佈也會揭示很多關於自然界如何處理其剩餘恆星的資訊。
“在一個奇怪的系統被發現之後，我們需要更多的系統，”卡洛傑拉說。