十多年来，天体物理学家一直想知道为什么自然界在摧毁恒星的方式上显得如此克制。在生命中，它们的范围从弱小者到庞然大物。小恒星只是燃尽并消失，但对于巨型恒星来说，会发生更奇怪的事情。当这样一颗恒星死亡时，它巨大的体积会导致其内部坍缩，形成核心坍缩超新星。这个过程引发了一场灾难性的爆炸，并将一些残骸压缩成天体异物——通常是中子星，或者对于最重的太阳来说，是黑洞。然而，在这两类大质量恒星尸体的重量等级之间，似乎存在着明显的裂痕。尽管天文学家已经发现了重量高达约两个太阳质量的中子星，以及轻至五个太阳质量的黑洞，但中等重量的尸体却完全消失了——直到现在。
2020年6月，激光干涉引力波天文台（LIGO）科学合作组织宣布首次确凿地探测到一颗恒星残骸落入所谓的质量 gap，即中子星和黑洞之间。经过数月的计算，LIGO和意大利的室女座引力波探测器的研究人员得出结论，2019年8月在地球上传播的引力波——一个名为GW190814的事件，最初被归类为黑洞吞噬中子星——实际上来自一个23太阳质量的黑洞吞噬了一个神秘的2.6太阳质量的天体。无论这个较小的天体是已知最重的中子星还是已知最轻的黑洞，或者是一种真正奇异的野兽，例如由不同于正常恒星粒子的粒子组成的恒星——它的存在都表明，描述最极端恒星命运的理论需要更新。
“我肯定会将此列为自最初的二元黑洞发现以及首次探测到中子星碰撞以来，我们从LIGO看到的、最令人兴奋的公告，”雪城大学的引力波天文学家邓肯·布朗说，他没有参与这项研究。“我们正在探索对宇宙天体物理学理解的新领域。”
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这项新发现暗示，宇宙在处理恒星的方式上可能比研究人员想象的更自由。无论这种自由意味着原子积木具有足够的强度来支撑更巨大的中子星，还是超新星可以锻造更小的黑洞，LIGO的探测都缩小了这两种最合理的场景之间的差距。
“我认为，将质量 gap 视为一个真正的、空无一物的 gap 的想法正在逐渐被打破，”加州州立大学富勒顿分校的LIGO成员菲利普·兰德里说。“这将是棺材上的又一颗钉子。”
从基本物理学的角度来看，分隔中子星和黑洞的界限非常细微。如果你将一个苹果扔到一个接近其组成中子的承受极限的中子星上，它会突然坍缩成一个黑洞。已知最重的中子星的重量是我们太阳质量的2.14倍。核理论家怀疑，这些天体的质量可能会变得更大，最乐观的模型认为，物质完全分解的质量为2.5个太阳质量。基于这些理论，LIGO合作组织计算出GW190814中较轻的伴星是中子星的可能性小于3%。兰德里说，如此重的中子星将是“彻底的游戏规则改变者”。
尽管他们永远无法收集任何奖金，但大多数天体物理学家都会打赌，2019年的合并事件涉及到一个大黑洞吞噬了一个小得难以置信的黑洞。但是，尽管核理论使这种情况比一个涉及单个黑洞和中子星的情况更合理，但它仍然挑战了关于此类系统如何形成的最好理论。“基本上，”兰德里说，“总得有什么东西让步。”
据天体物理学家所知，制造一个品脱大小的黑洞——然后再把它喂给一个更大的黑洞——对于宇宙来说应该是一个几乎无法逾越的障碍。创造这样一个微小伴星的一个可想象的方法是将两个庞大的中子星 mashup 在一起，LIGO在2017年目睹了这一事件。然而，一个特殊的配对环境（例如，一个充满恒星尸体的混乱星系中心）将两个中子星聚集在一起，并且还设法用一个更大的伴星建立起由此产生的质量 gap 黑洞的可能性有多大？“没有什么可以禁止它，”亚利桑那大学的天体物理学家费里亚尔·厄泽尔说，她没有参与LIGO。“但这更像是一部肥皂剧。”
对许多人来说，最简单的选择是，迷你黑洞像大多数黑洞一样，直接诞生于一颗垂死恒星的核心。恒星死亡的基本原理很简单：恒星吹掉一个巨大的外壳，留下其核心坍缩成黑洞或中子星。但是，预测涉及引力、热力学和粒子物理的混乱爆炸的确切后果，代表着天体物理学家仍在努力解决的宇宙期末考试。“拿起物理学综合百科全书，”布朗说，“你可能需要其中的几乎每一部分物理学知识来模拟超新星。”
因此，当厄泽尔领导的团队在2010年分析了已知的 Neutron 星和黑洞群，并得出结论，没有一个可能介于两个到五个太阳质量之间时，超新星研究人员抓住了机会，对这个神秘莫测的过程施加更有意义的限制。一幅粗略的图景浮现出来，其中快速、猛烈的爆炸干净利落地喷射出恒星的大部分物质，留下裸露的核心收缩成一个经典的、可能重达两个太阳质量的中子星。然而，在较温和的灾变中，一些碎片未能逃逸，并撞回中子星。这种物质可能会（方便地）增加至少三个太阳质量，产生一个重量至少为五个太阳质量的黑洞。
因此，这个空旷区域成为了理论家的工具，西北大学的天体物理学家、LIGO成员薇姬·卡洛杰拉说。她和她的同事问自己，“我需要对核心坍缩机制做什么，才能创造出 gap？”她说。
LIGO对质量 gap 的发现暗示，也许他们不必费心了：一个2.6太阳质量的恒星黑洞会表明，没有如此严格的规定适用。超新星可能可以自由地寻找中子星和黑洞之间的基本界限，从而从天体物理学期末考试中删除一项繁重的规定。“我认为这几乎说明了不存在质量 gap，”布朗说。
然而，中子星和黑洞之间的分界线很可能仍然是一种宇宙倾向，而不是规则。厄泽尔说，如果你天真地看待恒星的大小，你就会得出结论，黑洞应该无处不在。它们的相对缺失仍然向她表明，超新星可能在某种程度上联合起来反对它们。“可能这些天体非常难以制造，但偶尔，超新星爆炸会将你带到那里，”她说。此外，研究人员仍然需要弄清楚，为什么质量 gap 似乎分隔了在X射线下看到的黑洞和中子星双星，而不是引力波探测到的黑洞和中子星双星。
只有探测到更多看似不可能的天体，才能得到确定的答案。如果伴星的质量相似，或者在合并时发出可见闪光（碰撞的黑洞预计不会像合并的中子星那样发出光爆，至少在原则上是这样），LIGO可以区分微小的黑洞和大中子星。然而，即使模糊不清的事件继续堆积，仅仅观察质量的分布也会揭示很多关于自然界如何处理其剩余恒星的信息。
“在一个奇怪的系统被发现之后，我们需要更多的系统，”卡洛杰拉说。