引力波揭示了有史以來最大的黑洞合并——其規(guī)模如此巨大且極端，違背了當(dāng)前的天體物理模型。這場碰撞形成了一個相當(dāng)于225個太陽質(zhì)量的龐然大物，可能由之前已經(jīng)合并過的黑洞構(gòu)成。愛因斯坦的規(guī)則或許需要重新審視。

LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作組通過引力波觀測到了有史以來質(zhì)量最大的黑洞合并事件。利用美國國家科學(xué)基金會（NSF）資助的LIGO天文臺，科學(xué)家們探測到了一次巨大事件的信號，該事件最終產(chǎn)生了一個質(zhì)量約為太陽225倍的黑洞。該信號被標(biāo)記為GW231123，是在2023年11月23日LVK網(wǎng)絡(luò)第四次觀測運(yùn)行中捕獲的。

LIGO，即激光干涉引力波天文臺（LIGO），于2015年首次探測到引力波，并因此成為頭條新聞。這些引力波是時空結(jié)構(gòu)中的漣漪，是由一次黑洞碰撞產(chǎn)生的，該碰撞產(chǎn)生了一個質(zhì)量為太陽62倍的黑洞。這一突破性信號被位于路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的LIGO兩臺探測器捕捉到。

繼這一歷史性發(fā)現(xiàn)之后，LIGO 與意大利的 Virgo 探測器和日本的神岡引力波探測器 (KAGRA) 合作，成立了 LVK 合作組。這些儀器在第四次觀測中共記錄了超過 200 次黑洞合并，自 2015 年開始合作觀測以來，共記錄了約 300 次黑洞合并。

在此之前，質(zhì)量最大的黑洞合并是由 2021 年發(fā)生的 GW190521 事件產(chǎn)生的，其總質(zhì)量是太陽的 140 倍。

在最近的 GW231123 事件中，質(zhì)量為 225 個太陽質(zhì)量的黑洞是由多個黑洞合并而成的，每個黑洞的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 100 倍和 140 倍。

黑洞除了質(zhì)量大之外，還快速旋轉(zhuǎn)。“這是我們通過引力波觀測到的質(zhì)量最大的雙黑洞，它對我們理解黑洞的形成方式提出了真正的挑戰(zhàn)，”卡迪夫大學(xué)的馬克·漢納姆（Mark Hannam）說道，他是LVK合作項目的成員。“如此巨大的黑洞在標(biāo)準(zhǔn)的恒星演化模型中是被禁止的。一種可能性是，這顆雙黑洞中的兩個黑洞是由早期較小黑洞的合并形成的。”

加州理工學(xué)院 LIGO 執(zhí)行主任戴夫·雷茨 (Dave Reitze) 表示：“這次觀測再次證明了引力波如何以獨(dú)特的方式揭示了整個宇宙中黑洞的基本和奇異性質(zhì)。”

GW231123 中黑洞的高質(zhì)量和極快的旋轉(zhuǎn)速度突破了引力波探測技術(shù)和現(xiàn)有理論模型的極限。要從信號中提取精確信息，需要使用能夠解釋高速旋轉(zhuǎn)黑洞復(fù)雜動力學(xué)的模型。

“黑洞似乎旋轉(zhuǎn)得非常快——接近愛因斯坦廣義相對論允許的極限，”樸茨茅斯大學(xué)、LVK成員查理·霍伊解釋道。“這使得信號難以建模和解釋。這是一個推動我們理論工具發(fā)展的絕佳案例研究。”

研究人員正在持續(xù)完善分析，改進(jìn)用于解釋此類極端事件的模型。“整個研究界需要數(shù)年時間才能完全解開這種復(fù)雜的信號模式及其所有含義，”伯明翰大學(xué)、LVK成員格雷戈里奧·卡魯洛說道。“盡管最可能的解釋仍然是黑洞合并，但更復(fù)雜的場景可能是解讀其意外特征的關(guān)鍵。激動人心的時刻即將到來！”

諸如 LIGO、Virgo 和 KAGRA 之類的引力波探測器旨在測量劇烈宇宙事件引起的時空微小扭曲。第四次觀測運(yùn)行于 2023 年 5 月開始，前半段（截至 2024 年 1 月）的更多觀測結(jié)果將于今年夏季晚些時候發(fā)布。

“這次事件將我們的儀器和數(shù)據(jù)分析能力推向了目前所能達(dá)到的極限，”加州理工學(xué)院博士后研究員、LVK成員索菲·比尼（Sophie Bini）說道。“這是一個強(qiáng)有力的例子，它表明我們可以從引力波天文學(xué)中學(xué)到多少東西，以及還有多少東西有待探索。”

GW231123 在第 24 屆國際廣義相對論和引力大會（GR24）和第 16 屆愛德華多·阿馬爾迪引力波大會（GR-Amaldi 會議）上發(fā)表。用于探測和研究 GW231123 的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將通過引力波開放科學(xué)中心（GWOSC）提供給其他研究人員進(jìn)行分析。

編譯自/scitechdaily