天文學把我們帶到了宇宙，從地球到行星，恆星，甚至銀河系以外的星系。一路上我們發現了一些奇異的天體，從星際遊客到流氓行星，到白矮星、中子星和黑洞。但中子星和黑洞不易區分，通常它們形成的機制相同：一顆巨大的恆星的坍塌，導致超新星爆炸。

圖注：此模擬顯示了雙黑洞系統發射的輻射。原則上，我們應該有中子星雙系統、黑洞雙系統和中子星黑洞系統，覆蓋整個允許的質量範圍。在實踐中，我們看到在大約2到5個太陽質量之間存在"間隙"。對於現代天文學來說，找到這個缺失的天體是一個很大的難題。

儘管恆星有各種不同的質量，但最大質量的中子星只有大約2個太陽質量，截至2017年，人類發現的質量最小的黑洞是5個太陽質量，在2-5個太陽質量間出現“質量間隙”，這是是怎麼回事，中間有黑洞或中子星嗎？如果在這個低質量區存在中子星或黑洞，我們如何判斷它是中子星還是黑洞？

讓我們深入探討一下天文學家所說的“質量間隙”，並找出答案。

圖注：眾所周知，LIGO對探測天體碰撞和合並的各種事件都很靈敏。我們知道，5個太陽質量以上的黑洞很常見，低於2個太陽質量的中子星也是常見的。中間範圍被稱為質量間隙，這是天文學家需要解決的難題。

在引力波出現之前，我們只知道兩種探測黑洞的方法。

我們可以找到一個發光物體，像一顆恆星，它繞著一個不發射任何型別光的大塊質量執行。根據發光物體的光曲線及其隨時間的變化，我們可以引力推斷黑洞的存在。從伴星、墜落的質量或向內流動的氣體雲中聚集物質，我們可以找到一個黑洞，。當物質接近黑洞的事件視界時，它會升溫、加速並釋放出我們探測到的X射線輻射。

發現的第一個黑洞Cygnus X-1是用後一種方法發現的。

圖注：黑洞不是太空中孤立的物體，而是存在於宇宙、星系和恆星系統中的物質和能量之中。它們透過吸收和吞噬物質和能量而生長，當它們吸收和吞噬時，它們會發出X射線。探測雙黑洞系統發出的X射線，是我們發現大多數非超大質量黑洞的方式。

自從55年前首次發現黑洞以來，已知的黑洞數量已經非常多了。我們現在知道，超大質量的黑洞位於大多數星系的中心，並定期吞噬附近的氣體雲。有的黑洞起源於超新星爆炸，我們透過探測它們發射的X射線來確定黑洞數量，在已探測到的黑洞中，雙系統黑洞數量規模相當大。

我們還知道，在任何給定時間裡，只有一小部分黑洞是活躍的，它們中的大多數相當安靜。即使在LIGO開啟後，發現黑洞與其他黑洞合併後，一個令人費解的事實依然存在：我們曾經發現的最低質量黑洞的質量都至少是太陽質量的五倍。沒有三到四個太陽質量的黑洞。由於某種原因，所有已知的黑洞都高於一些任意的質量閾值。

圖注：一顆巨大的恆星在其整個生命中，最終形成了一個II型超新星。在其壽命結束時，如果核心足夠大，黑洞的形成是絕對不可避免的。

從理論上講，對於黑洞質量應該存在什麼，存在著分歧。根據一些理論模型，最終產生黑洞的超新星過程與最終產生中子星的超新星過程之間有著根本的區別。雖然兩者都產生於II型超新星，但當祖恆星的核心爆裂時，無論是否越過臨界閾值（或不），都可能會導致差異的存在。

如果正確的話，那麼跨越該閾值並形成事件視界可能會迫使更多的物質在坍塌的核心中結束，從而最終形成黑洞。最終狀態黑洞的最小質量可能比最重的中子星質量高出許多太陽質量，它永遠不會形成事件視界，也不會跨越臨界閾值。

圖注：超新星型別作為初始恆星質量和比氦（金屬丰度）重的元素的初始含量的函式。請注意，第一個星位於圖表的底行，不含金屬，黑色區域對應於直接摺疊的黑洞。對於現代恆星，我們不確定產生中子星的超新星與產生黑洞的超新星基本相同還是不同，以及它們之間在自然界中是否存在"質量間隙"。

另一方面，其他理論模型無法預測超新星過程之間的根本差異，這些超新星過程確實或沒有產生事件視界。完全有可能，許多理論家得出了這樣的結論，即超新星最終產生質量的連續分佈，中子星將一路被找到，直到一定的極限，緊隨其後的是黑洞，不會留下“質量間隙”。

直到2017年，觀測結果似乎有利於出現大規模間隙。已知最大的中子星大約在2個太陽質量附近，而所見過的最小質量的黑洞（透過雙星系統的X射線發射）正好是5個太陽質量。但是在2017年8月，發生了一個事件，開啟了我們對這個難以捉摸的質量範圍的思考方式的巨大變化。

圖注：在合併的最後時刻，兩顆中子星不僅發射引力波，而且會發出在電磁波中迴響的災難性爆炸。同時，它生成大量重元素，朝向週期表的高階。在這次合併之後，他們一定已經定居下來，形成了一個黑洞，後來產生了一個準直論的噴氣式飛機，突破了周圍的物質。

第一次探測這樣的事件，不僅探測到引力波，而且探測到來自事件源的發射光。從1億多光年之外，科學家們觀察到了來自事件源全光譜訊號：伽馬射線到可見光，一直到無線電波。科學家指明瞭我們以前從未見過的東西：兩顆中子星合併在一起，形成了一個叫做千新星的事件。我們現在相信，這些千新星是整個宇宙中發現的大多數重元素的罪魁禍首。

但也許最引人注目的是，從引力波的到來，我們能夠提取了大量有關合並過程的資訊。兩顆中子星合併成一個天體，它最初形成中子星，一秒之後，坍塌形成黑洞。我們第一次在“質量間隙”範圍內發現了一個物體，它確實是一個黑洞。

圖注：LIGO和Virgo已經發現了一個驚人的冰山的一角：一個新的黑洞群的質量，從來沒有見過，只有X射線研究（紫色）。此圖顯示了 LIGO/Virgo（藍色）在 Run II 結束時檢測到的所有 10 個自信雙星黑洞合併的的質量，以及所看到的一箇中子星-中子星合併（橙色），它創造了我們曾經發現的最低質量黑洞。

然而，這絕對並不意味著沒有“質量間隙”。如果它們的總質量超過一定閾值（在2.5到2.75太陽質量之間，取決於它的旋轉速度），那麼很有可能中子星-中子星合併通常形成黑洞，

但即使如此，超新星產生的中子星仍有可能達到一定臨界值，而超新星產生的黑洞在閾值明顯高前不會出現。確定這種“質量間隙”是否真實的唯一方法就是：

對超新星和超新星殘餘物進行大規模普查，並測量產生的中子星/黑洞的質量分佈，或收集實際測量物件分佈在所謂的“質量間隙”範圍內的資料，並確定是否存在間隙或連續分佈。

在兩個月前剛剛釋出的一項研究中，“質量間隙”縮小了一點。

圖注：2019年，科學家們正在測量來自中子星的脈衝，並能夠測量一個圍繞它執行的白矮星如何延遲脈衝。根據觀測結果，科學家們確定它的質量約為2.2個太陽質量：迄今為止所見到的最重的中子星。

透過找到一顆進入“質量間隙”範圍的中子星，使用脈衝星計時和引力物理技術，我們能夠確認，中子星仍然低於預期的2.5太陽質量閾值。黑洞的軌道技術也適用於中子星和任何大質量物體。只要能測量到某種形式的光波或引力波訊號，就可以推斷出質量的引力效應。

但是，就在這個中子星故事發表大約六週後，另一個更令人興奮的故事就成為了新聞。在大約一萬光年之外，就在我們自己的星系裡，科學家們對一顆被認為是我們太陽質量幾倍的巨大的恆星進行了精確觀測，令人著迷的是，它的軌道顯示，它繞著一個沒有任何種類的輻射天體執行，它從它的引力來看，該天體大約3.3太陽質量：穩定在“質量間隙”範圍。

圖注：巨型恆星的顏色曲線和徑向速度被測量為以83天週期繞軌道執行。同伴不發射任何型別的輻射，甚至X射線，暗示著黑洞的性質。

我們不能絕對確定這個天體是不是中子星，但即使是安靜的中子星的超強磁場，也會導致X射線的輻射遠低於觀測到的閾值。即使考慮到不確定性，可以接受質量低至約2.6太陽質量（或高達約5太陽質量），觀測的資料顯示，這個天體最有可能為黑洞。

這支援了在2.75太陽質量以上，就不再有中子星的觀點：天體都是黑洞。這表明，我們有能力發現質量較小的黑洞，只是因為它對任何軌道同伴的引力作用。

我們非常確信，這個恆星的殘餘物是一個黑洞，而不是一箇中子星。但是這個大問題呢？“質量間隙”呢？

圖注：雖然夜空中幾乎所有的恆星看起來都是光點，但其中許多是多星系統，我們見過的大約50%的恆星被束縛在多星系統中。Castor 是 25 個星體中最多恆星的系統：它是一個六元組系統。

這個新的黑洞很有趣，而且它很可能就是一個黑洞，它不能告訴我們是否存在質量間隙、或者是超新星事件產生的質量分佈。在人類發現的所有恆星中，約有50%是多星系統的一部分，其中約15%的恆星包含在3至6顆恆星的束縛系統中存在。由於我們看到的多星系統通常有彼此相似的恆星質量，因此不排除這個新發現的黑洞，不是起源於很久以前的千新星事件。

圖注：除非我們找到足夠多的黑洞，以準確確定其質量連續分佈，我們將無法真正判斷是否發存在“質量間隙”。雙系統中的黑洞可能是我們最好的選擇。

那麼物件本身呢？它幾乎可以肯定是一個黑洞，很可能它的質量，就在所謂的“質量間隙”範圍內。但是，“質量間隙”真的存在嗎？還是我們資料不足的範圍？在我們可以給出一個有意義的答案之前，我們需要研究更多的資料，更多的系統，和更多的黑洞（和中子星）質量。