2015年，LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）首次直接探測(cè)到來(lái)自雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波。之后，LIGO與Virgo（室女引力波探測(cè)器）、KAGRA（神岡引力波探測(cè)器）組建了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作組。這些探測(cè)器在第四輪觀測(cè)運(yùn)行中探測(cè)到了200多個(gè)雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)。

7月13日，LVK合作組報(bào)告了迄今為止觀測(cè)到的最極端的黑洞并合事件——一個(gè)約137倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞和另一個(gè)約103倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，并合產(chǎn)生了一個(gè)約225倍太陽(yáng)質(zhì)量的新黑洞。

前所未有的“巨獸”并合

這一“史詩(shī)級(jí)”的引力波事件被命名為GW231123，于2023年11月23日在LVK網(wǎng)絡(luò)的第四輪觀測(cè)運(yùn)行中被探測(cè)到。在此之前，已確認(rèn)的最大質(zhì)量黑洞并合記錄來(lái)自GW190521，該事件形成的最終黑洞質(zhì)量約為太陽(yáng)的140倍。相比之下，GW231123事件中最終的并合黑洞幾乎將這一紀(jì)錄提升了近百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

除了巨大的質(zhì)量之外，這一事件的黑洞還有著異常高的自旋速度，幾乎達(dá)到了廣義相對(duì)論允許的理論極限。具體來(lái)說(shuō)，其中一個(gè)黑洞的自旋速度達(dá)到了其上限的90%，另一個(gè)也接近80%。

這一事件不僅刷新了觀測(cè)紀(jì)錄，還對(duì)現(xiàn)有關(guān)于黑洞的形成與并合的物理理論提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。研究人員推測(cè)，GW231123事件中的黑洞，可能具有非常規(guī)的“身世”。

撼動(dòng)理論的“質(zhì)量間隙”

根據(jù)恒星演化理論，質(zhì)量低于約60個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，是由恒星坍縮形成的。但當(dāng)黑洞落在所謂的”質(zhì)量間隙“，即質(zhì)量介于60至130倍太陽(yáng)質(zhì)量這個(gè)區(qū)間時(shí)，這個(gè)形成機(jī)制便不再起作用。這是因?yàn)槟苄纬蛇@一質(zhì)量范圍的黑洞的恒星，要么在死亡時(shí)發(fā)生完全爆炸不留下任何殘骸，要么在坍縮前拋出其大部分物質(zhì)，從而阻止了大質(zhì)量黑洞的形成。

GW231123事件。（圖/Caltech）

然而，GW231123事件卻對(duì)這一理論提出挑戰(zhàn)：其中較輕的黑洞有83%的概率位于質(zhì)量間隙內(nèi)；較重的那個(gè)黑洞，也有26%的概率落在這個(gè)范圍。這表明傳統(tǒng)的恒星演化理論可能無(wú)法完全解釋它們的起源。那么，這些黑洞是從哪來(lái)的呢？

對(duì)此，研究人員推測(cè)，有一種可能性是：在這兩個(gè)黑洞至中，至少有一個(gè)是通過(guò)“多代”黑洞重復(fù)并合、逐步“成長(zhǎng)”而來(lái)。這可以解釋為什么它們的質(zhì)量那么大，旋轉(zhuǎn)那么快。而想要讓黑洞有機(jī)會(huì)不斷碰撞并合，它們可能誕生于非常致密的環(huán)境，比如密集的恒星團(tuán)或活動(dòng)星系核中。

其他可能產(chǎn)生類似信號(hào)的情形包括了引力透鏡效應(yīng)、原初黑洞、核心坍縮超新星、宇宙弦等，但可能性并不高。

復(fù)雜的謎題

目前，這一事件尚無(wú)法與任何現(xiàn)有的主流黑洞形成機(jī)制完全契合——沒(méi)有一種理論能夠完全解釋這一觀測(cè)結(jié)果，但也沒(méi)有一種能被完全排除。即便是最為基礎(chǔ)的模型，即黑洞是直接由恒星坍縮形成，仍有可能成立：只要其中一個(gè)黑洞質(zhì)量在“質(zhì)量間隙”之上，另一個(gè)在“質(zhì)量間隙”之下，該機(jī)制在理論上就仍具備說(shuō)服力。

由于黑洞體積過(guò)于龐大，科學(xué)家僅捕捉到此次事件最后約0.1秒的引力波的“尾聲”。這使得對(duì)事件的解析更加困難。與此同時(shí)，多個(gè)理論模型在解讀黑洞特性時(shí)結(jié)果并不一致，增加了對(duì)其質(zhì)量、自旋等性質(zhì)的不確定性。未來(lái)更多的模擬工作將有助于深化對(duì)這種極端事件的理解。研究人員預(yù)計(jì)，要全面解析這組復(fù)雜信號(hào)及其深層意義，整個(gè)科研界或?qū)⑿枰獢?shù)年時(shí)間的持續(xù)努力。

#參考來(lái)源：

https://ligo.org/ligo-virgo-kagra-detect-most-massive-black-hole-merger-to-date/

https://www.sciencenews.org/article/biggest-black-hole-gravitational-waves

https://www.caltech.edu/about/news/ligo-detects-most-massive-black-hole-merger-to-date

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)