科學家探測到迄今規模最大的黑洞合并事件

物理學家探測到有史以來規模最大的黑洞合并事件。這一發現對人們理解這類天體在宇宙中的成長方式具有重大意義。相關研究結果7月10日公布于arXiv預印本服務器，并于7月14日在英國格拉斯哥舉行的GR-Amaldi 引力波會議上進行了展示。

這一發現是由美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）完成的，包括兩臺探測器。LIGO通過向L形長臂發射激光來探測引力波。臂長的微小變化揭示了引力波穿過地球的痕跡。引力波是時空的漣漪，由大質量天體的加速運動引起，比如兩個相互繞轉的黑洞或中子星合并時就會產生引力波。

自2015年LIGO首次探測到引力波以來，科學家已經觀察到數百次這樣的合并事件。但2023年11月探測到的這個名為GW231123的最新事件是迄今規模最大的。通過對LIGO探測到的信號進行建模，科學家計算出GW231123事件是由兩個質量分別約為太陽100倍和140倍的黑洞合并引起的，合并后形成的最終黑洞質量約為太陽的225倍。

“這是迄今質量最大的合并事件，比之前的紀錄保持者約大了50%。”LVK合作組織成員、英國卡迪夫大學的Mark Hannam說。該組織是一個引力波探測器網絡，包括LIGO、意大利的Virgo和日本的KAGRA。

LIGO捕捉到的大多數事件都涉及恒星級黑洞，即質量為太陽幾倍到100倍的黑洞，它們被認為是在大質量恒星以超新星形式終結生命時形成的。然而，參與GW231123事件的兩個黑洞處于或接近一個預測的質量范圍——60至130倍太陽質量，在這個范圍內，上述形成過程被認為是行不通的，理論反而預測這些恒星應該會被吹散。“所以它們很可能不是通過這種常規機制形成的。”Hannam說。

相反，這兩個黑洞可能是由更早的合并事件形成的，即大質量天體的層級合并，最終產生LIGO探測到的GW231123事件。據估計，該事件發生在距離地球0.7億至41億秒差距（23億至134億光年）處。

“這如同四個祖父母合并成兩個父母，再合并成一個嬰兒黑洞。”LVK合作組織成員、美國加州理工學院的Alan Weinstein說。

對這些黑洞的模型研究還表明，它們的旋轉速度極快，約每秒40次，接近愛因斯坦廣義相對論預測的黑洞保持穩定所能達到的極限。“它們的旋轉速度非常接近被允許的最大旋轉速度。”Weinstein說。

黑洞的旋轉速度和質量都可以為了解黑洞的成長方式提供線索。天文學最大的問題之一是，像銀河系中心那些超大質量黑洞是如何在早期宇宙中形成的。盡管有大量證據表明存在恒星級黑洞和超大質量黑洞，后者為質量超過太陽100萬倍的黑洞，但質量在100至10萬倍太陽質量之間的中等質量黑洞卻更難被發現。

最新的探測結果可能告訴我們，“這些中等質量黑洞在星系演化中發揮著作用”。Hannam說，這可能是通過層級合并實現的，層級合并既可以增加最終黑洞的旋轉速度，也可以增加其質量。“我們正一點一點列出宇宙中存在的黑洞種類清單。”

而此時，美國用于引力波探測的資金正面臨大幅削減。美國特朗普政府提議削減美國國家科學基金會的資金，后者負責管理LIGO。根據該提議，LIGO的兩個引力波探測器中的一個將被關閉。

Hannam說，在2023年11月探測到這一事件時，Virgo和KAGRA均未運行。如果沒有兩臺探測器，科學家就無法確定是否真的探測到兩個合并的黑洞。“正因為有兩臺，我們在同一時間看到了相同的信號。”

如果未來幾年能夠升級LIGO，并在全球范圍內新增探測器，可能會極大提高物理學家在引力波研究方面的能力，而引力波研究仍是天文學中一個尚處于起步階段的領域。

相關論文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.08219