发现迄今最大黑洞碰撞事件！相当225个太阳质量

摘要： 物理学家探测到有史以来规模最大的黑洞碰撞事件，这一发现对理解这类天体在宇宙中的成长方式具有重大意义。相关研究 7 月 1...

物理学家探测到有史以来规模最大的黑洞碰撞事件，这一发现对理解这类天体在宇宙中的成长方式具有重大意义。相关研究 7 月 10 日公布于 arXiv 预印本服务器，并于 7 月 14 日在英国格拉斯哥举行的 GR-Amaldi 引力波会议上进行了展示。

两个黑洞合并的艺术想象图。图片来源：Victor de Schwanberg/SPL

这次碰撞由美国激光干涉引力波天文台（LIGO）发现，后者有两台探测器，通过向L形长臂发射激光探测引力波，而臂长的微小变化则会揭示引力波穿过地球的过程。引力波是时空中的涟漪，由大质量天体加速运动引起，比如两个相互绕转的黑洞或中子星合并时就会产生引力波。

自 2015 年 LIGO 首次探测到引力波以来，科学家已经观察到数百次这样的合并事件。但 2023 年 11 月探测到的这个名为 GW231123 的最新事件是迄今规模最大的。通过对 LIGO 探测到的信号进行建模，科学家计算出 GW231123 事件是由两个质量分别为太阳 100 倍和 140 倍的黑洞合并引起的，最终形成的黑洞质量约为太阳的 225 倍。

“这是迄今规模最大的合并事件，比之前的纪录保持者增加了约 50%。”LVK 合作组织成员、英国卡迪夫大学的 Mark Hannam 说。该组织是一个引力波探测器网络，包括 LIGO、意大利的 Virgo 和日本的 KAGRA。

LIGO 捕捉到的大多数事件都涉及恒星质量黑洞，即质量为太阳几倍到 100 倍的黑洞，它们被认为是在大质量恒星以超新星形式终结生命时形成的。然而，参与 GW231123 事件的两个黑洞处于或接近一个预测的质量范围，即 60 倍至 130 倍太阳质量。在这个范围内，上述形成过程预计不会起作用——理论上这些恒星应该被撕裂。“所以它们可能不是通过这种常规机制形成的。”Hannam 说。

相反，这两个黑洞可能是由更早的合并事件形成的，即大质量天体的层级合并最终产生了 LIGO 探测到的 GW231123 事件。据估计，该事件发生在距离地球 7 亿至 41 亿秒差距（23 亿至 134 亿光年）的地方。

“这如同 4 个祖父母‘合并’成两个父母，再‘合并’成一个婴儿黑洞。”LVK 合作组织成员、美国加州理工学院的 Alan Weinstein 说。

研究还表明，它们的旋转速度极快，大约每秒 40 圈，接近爱因斯坦广义相对论预测的黑洞保持稳定前提下所能达到的极限。“它们的旋转速度非常接近被允许的最大值。”Weinstein 说。

黑洞的旋转和质量都能为了解黑洞的成长提供线索。天文学的一个最大问题是，在银河系等星系中心发现的那些超大质量黑洞是如何在早期宇宙中形成的。尽管有大量证据表明存在恒星质量黑洞和超过 100 万倍太阳质量的超大质量黑洞，但 100 倍至 10 万倍太阳质量的中等质量黑洞却很难被发现。

Hannam 说，最新的探测可能会告诉我们，“这些中等质量黑洞在星系演化中发挥着作用”。它们可能是通过层级合并实现的，这增加了黑洞的旋转速度和质量。“我们正在一点点地建立一份黑洞种类清单。”

目前，美国用于引力波探测的资金正面临大幅削减。特朗普政府提议削减美国国家科学基金会的资金，后者负责运营 LIGO。根据该提议，LIGO 的一个引力波探测器将被关闭。

Hannam 说，在 2023 年 11 月进行这项探测时，Virgo 和 KAGRA 均未运行。如果没有两台探测器，科学家就无法确定是否真的探测到两个合并的黑洞。“正因为有两台探测器，我们才能在同一时间看到同一个信号。”

如果未来几年能够升级 LIGO，并在全球范围内新增探测器，可能会极大提高物理学家在引力波研究方面的能力，而引力波研究仍是天文学中处于起步阶段的领域。