西蒙斯基金会的奥雷·戈特利布（Ore Gottlieb）通过计算机模拟呈现的黑洞形成与演化静态图像。
由弗拉蒂伦研究所天体物理学家及其合作者主导的大规模计算机模拟表明，磁场是解释特定质量黑洞形成的关键因素——这类黑洞的质量恰好落在曾被认为不可能存在的区间内。
2023年，天文学家观测到一场震撼事件：两个异常巨大的黑洞在约70亿光年外相撞。它们的庞大体型与高速自转令现有理论无法解释。这类黑洞本不应存在。
如今，弗拉蒂伦研究所计算天体物理中心（CCA）与合作机构的研究人员揭示了这些宇宙巨兽的形成与碰撞机制。通过追溯孕育这些黑洞的恒星生命周期，研究团队发现长期被早期模型忽略的磁场发挥着决定性作用。
“此前无人以我们的视角研究这些系统，天文学家往往走捷径而忽略磁场。”CCA天体物理学家、本研究主要作者戈特利布在发表于《天体物理学杂志通讯》的论文中强调，“一旦引入磁场，就能合理解释这一独特事件的起源。”
这场被命名为GW231123的宇宙碰撞由LIGO-Virgo-KAGRA天文台通过引力波探测到。当时科学家无法理解如此巨大且高速旋转的黑洞如何形成。大质量恒星耗尽燃料后，通常通过超新星爆发坍缩成较小黑洞，但特定质量区间的恒星会发生“对不稳定性超新星爆发”，导致恒星完全毁灭。
“这类超新星爆发理论上会形成70至140倍太阳质量的黑洞形成禁区，因此观测到落在此区间的黑洞质量令人费解。”戈特利布表示。
一种可能的解释是，“质量禁区”内的黑洞由较小黑洞合并形成。但这对GW231123事件并不适用——合并过程通常会导致黑洞自转紊乱，而事件中的两个黑洞却以接近光速旋转，创下迄今最快纪录。
为解开谜团，研究团队进行了两阶段模拟。首先对一颗250倍太阳质量的大质量恒星进行全程演化模拟，发现其在超新星爆发时已燃烧消耗至约150倍太阳质量，刚好超出理论质量禁区上限，最终形成黑洞。
第二阶段引入磁场因素。模型显示超新星爆发后的星体残骸形成旋转云团，中央孕育着新生黑洞。传统理论认为所有剩余物质都将坠入黑洞，但新模拟呈现了不同图景：若坍缩恒星不旋转，周围物质会直线坠入黑洞；但当恒星高速旋转时，物质会形成吸积盘，同时磁场压力会将部分物质以近光速向外喷射。
这种物质抛射显著减少了黑洞吞噬的质量。磁场越强，物质流失越多，极端情况下可损失恒星原始质量的一半。模拟中该机制自然形成了落入“禁区”质量范围的黑洞。
“我们发现旋转与磁场的存在可能从根本上改变恒星坍缩后的演化进程，使黑洞质量远低于坍缩恒星总质量。”戈特利布指出。
研究还揭示了黑洞质量与自转速度的关联：强磁场会减缓黑洞旋转并抛射更多物质，形成较小较慢的黑洞；弱磁场则允许形成更大更快的黑洞。这种规律可能构成质量与自转的普适定律。
当前尚无其他已知黑洞系统能验证这一关联，但天文学家期待未来观测发现更多类似GW231123的案例。模拟还预测这些磁化过程会在黑洞形成时产生伽马射线暴，探测此类闪光将有助于验证理论，揭示大质量黑洞的真实普遍性。
若获证实，这些发现不仅能解释“不可能”的碰撞事件，还将重塑科学家对宇宙最极端天体的认知框架。
