引力波揭示史上最大黑洞合并——其规模违背现有模型

“根据标准的恒星演化模型，这么巨大的黑洞根本不该存在。”

两个黑洞的碰撞和融合。（图源：罗伯特李（使用Canva制作））

科学家探测到有史以来最庞大的黑洞合并。这场震撼宇宙的碰撞通过时空涟漪——也就是引力波被听到。参与合并的的黑洞质量及其巨大，甚至可能对现有的宇宙模型构成挑战。

这次合并事件于2023年11月23日被“LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）”的引力波探测网络探测到，这是这三台位于美国、意大利、日本的高灵敏度激光干涉仪在第四次观运行期间取得的成果。

这次让时空“鸣响”的引力波事件被命名为GW231123，它由两颗质量分别为太阳100倍和140倍的原始黑洞合并而成。这两个黑洞的体积都极其庞大，当它们合并后，产生了一颗是太阳的225倍的子黑洞，其中损失的质量转化为了能量，激发出强烈的引力波，向宇宙四方扩散。

在GW231123之前，通过引力波探测到的、由黑洞合并产生的最大黑洞的质量是太阳的140倍，这次事件在2021年被引力波探测到，编号为GW190521。

“这是我们通过引力波观测到的质量最大的一对黑洞，对我们理解的黑洞形成机制提出了真正的挑战，”LVK合作组成员和卡迪夫大学研究员马克汉纳姆声明中表示，“按照标准的恒星演化模型，这么巨大的黑洞本不应该存在。”

“一种可能的情况是，这对黑洞都是通过更小的黑洞早期合并而成。”

这些黑洞的巨大质量并不是GW231123引人关注的唯一原因。这些信号似乎显示，在合并发生之前，至少其中一个原始黑洞旋转自转速度非常快，甚至可能到达了物理规律所允许的极限。

“这些黑洞的自转速度似乎非常——接近爱因斯坦广义相对论允许的极限，”LVK的成员、朴茨茅斯大学的查理霍伊说到。“这使得该信号难以建模和解读，同时也是推动我们理论工具发展的绝佳案例。”

LIGO和其伙伴再创记录

激光干涉引力波天文台（LIGO）早已习惯于创造历史、打破纪录。早在2015年，位于圣路易斯安那州利文斯顿、华盛顿州汉福德的两台探测器，就首次探测到了引力波。

这次观测恰好发生在爱因斯坦于1915年提出广义相对论、首次预测了引力波存在的一百年以后。

这个被命名为GW150914的信号，源自两个黑洞的合并，产生了一个质量约为太阳62倍的子黑洞。

这幅艺术插画描绘了两个环绕运行的黑洞产生引力波的过程——它们在时空掀起了层层涟漪。（图源：NASA）

自从2015年以来，LIGO得到了引力波探测器Virgo和神冈引力波探测器（KAGRA）的加入。这一合作团队目前已经探测到超过300次黑洞融合事件。

在这些探测中，超过200次发生在这几台仪器的第四轮运行期间。尽管这一成果已相当惊人，但在GW231123事件中发生碰撞的黑洞具有极高的质量和极快的旋转速度，这不仅将引力波探测技术推向了极限，也可能突破了目前理论模型的边界。

“这个事件将我们的仪器和数据分析能力推到当前能实现的极限，”LVK成员、加州理工学院（Caltech）研究员索菲亚比妮说到，“这充分展示了引力波天文学能带给我们的深刻洞见——以及仍有多少未知等待被揭示。”

如果要完全揭示这个信号和LVK在第四次观测运行期间（截至2024年1月）探测到的其他的信号的秘密，则需要进一步改进分析和解释方法。

“科研界要彻底解析这一复杂的信号模式及其所有含义，可能还需要数年时间。”LVK团队成员、伯明翰大学的格雷戈里奥卡鲁洛说到，“虽然目前最可能的解释仍然是黑洞融合，但更复杂的情景或许才是破解其出人意料特征的关键。”

“令人激动的时代即将到来！”

GW231123于7月14日（星期一）在苏格兰格拉斯哥举行的第24届《广义相对论与引力国际会议》（GR24）和第16届《爱德华多阿玛尔迪引力波会议》上公布。

BY:Robert Lea

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