2024 年底一個月內檢測到的兩次巨大黑洞碰撞正在重塑科學家對宇宙最極端事件的解釋。這些孿生合併不僅為黑洞如何形成和演化提供了新的見解，而且以無與倫比的精度證實了阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論的預測。這些發現還可以幫助研究人員找到可以從黑洞中提取能量的新粒子。
10 月 28 日發表的一項研究顯示 天體物理學期刊通訊國際 LIGO-Virgo-KAGRA 合作組織宣布探測到去年 10 月和 11 月記錄的兩個來自黑洞的引力波信號，這些信號具有不尋常的自旋模式。
這些波揭示了宇宙在空間和時間上的碰撞
引力波是時空中的微小漣漪，當天空中的大質量物體碰撞或合併時就會產生這種漣漪。最強的信號來自黑洞碰撞。第一個事件 GW241011（2024 年 10 月 11 日）發生在距離地球 7 億光年的地方，當時兩個黑洞（質量分別是太陽質量的 20 倍和 6 倍）合併。最大的黑洞被認為是迄今為止觀察到的速度最快的黑洞之一。
大約一個月後，在 24 億光年之外檢測到第二個事件 GW241110（2024 年 11 月 10 日）。這次合併涉及 17 到 8 個太陽質量的黑洞。與大多數沿與軌道相同方向旋轉的黑洞不同，GW241110 中的主黑洞沿相反方向旋轉，這標誌著首次觀察到這種配置。
內華達大學拉斯維加斯分校（UNLV）天體物理學助理教授卡爾-約翰·哈斯特（Carl-Johan Haster）說：“每一次新的探測都提供了對宇宙的重要見解，提醒我們每一次觀測到的合併都是一項天體物理學發現，也是研究物理基本定律的寶貴實驗室。” “此類雙星是早期觀測所預測的，但這是它們存在的第一個直接證據。”
揭示合併黑洞的秘密生活
愛因斯坦於 1916 年首次預言引力波的存在，作為其廣義相對論的一部分。它們的存在在 20 世紀 70 年代就被間接證實，但直到 2015 年 LIGO 天文台檢測到黑洞合併產生的波時，科學家們才直接觀察到它們。
如今，LIGO-Virgo-KAGRA 網絡作為先進探測器的全球系統運行。該團隊目前正在進行第四次觀測活動，稱為 O4，該活動於 2023 年 5 月開始，將持續到 2025 年 11 月中旬。迄今為止，已檢測到約 300 個黑洞合併，包括正在進行的候選黑洞合併。
GW241011和GW241110的探測表明引力波天文學在揭示黑洞系統的內部運作方面已經取得了多大進展。這兩個事實都表明，其中一些黑洞可能是“第二代”，由早期合併的殘餘物形成。
“GW241011 和 GW241110 是 LIGO-Virgo-KAGRA 網絡觀測到的數百個事件中最新穎的事件之一，”卡迪夫大學教授兼 LIGO 科學合作組織發言人斯蒂芬·費爾赫斯特 (Stephen Fairhurst) 說。 “這兩起事件都表明，一個黑洞比另一個黑洞大得多，並且旋轉迅速，這提供了證據表明這些黑洞是由之前的黑洞合併形成的。”
研究人員發現了一些有趣的模式，包括一對黑洞之間巨大的質量差異（較大的黑洞的質量幾乎是其同伴的兩倍）以及不尋常的旋轉方向。這些特徵表明，黑洞是通過一種稱為分層聚變的過程形成的，其中星團等人口稠密區域的黑洞在其一生中會發生多次碰撞。
“這兩次黑洞合併為我們提供了有關黑洞早期生命的一些最令人興奮的信息，”威廉姆斯學院的合著者兼助理教授托馬斯·卡利斯特說。 “它們告訴我們，一些黑洞不僅以孤立的對的形式存在，而且作為一個密集、動態群體的成員而存在。展望未來，希望這些事件和其他觀測能夠讓我們越來越多地了解這些群體所佔據的天體物理環境。”
在極端條件下檢驗愛因斯坦的理論
檢測 GW241011 的非凡精度使研究人員能夠在有史以來測量過的最極端的環境之一中測試愛因斯坦的廣義相對論。由於這一事實被如此清晰地捕捉到，科學家們能夠將結果與愛因斯坦方程的預測和羅伊克爾描述旋轉黑洞的解進行比較。
GW241011的快速自轉使其形狀略有扭曲，在引力波上留下了獨特的指紋。數據分析顯示與克爾的模型非常吻合，以創紀錄的準確性證實了愛因斯坦的預測。
碰撞黑洞質量的顯著差異也產生了“高次諧波”，一種類似於樂器中聽到的音符。這一罕見的特徵僅第三次出現，為愛因斯坦的理論提供了又一次成功的檢驗。
哈斯特說：“GW241011 的強度與其黑洞成分的極端特性相結合，提供了一種前所未有的方法來測試我們對黑洞本身的理解。” “我們現在知道黑洞的形狀正如愛因斯坦和克爾所預測的那樣，廣義相對論可以在其許多成功的清單上再添加兩個刻度。這一發現也意味著我們對任何可能超出愛因斯坦理論的新物理學比以往任何時候都更加敏感。”
尋找新粒子的踪跡
像本研究中看到的快速旋轉黑洞現在有另一個應用：粒子物理學。科學家可以用它們來測試一些假設的基本粒子是否存在以及它們的質量有多大。
這些被稱為超輕玻色子的粒子是由超越粒子物理學標準模型的理論預測的，該模型描述和分類了所有已知的基本粒子。如果超輕玻色子存在，它們可以從黑洞中提取旋轉能量。釋放多少能量以及黑洞的旋轉隨著時間的推移減慢多少取決於這些粒子的質量，而這仍然是未知的。
事實上，發射 GW241011 的雙星系統中的大質量黑洞在形成後數百萬或數十億年繼續快速旋轉，丟棄了大範圍的超輕玻色子質量。
費爾赫斯特說：“升級 LIGO、Virgo 和 KAGRA 探測器將使我們能夠進一步觀測類似的系統，使我們能夠更好地了解控制這些雙黑洞的基本物理原理以及驅動它們形成的天體物理機制。”
LIGO 利文斯頓天文台現場負責人 Joe Giaim 表示，LIGO 科學家和工程師近年來對探測器進行了改進，從而實現了融合波的精確測量，從而實現了 GW241011 和 GW241110 所需的精細觀測。
“靈敏度的提高不僅使 LIGO 能夠探測到更多信號，還能更深入地了解我們探測到的內容，”他說。
