2023 年 11 月 23 日，位于美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的激光干涉引力波天文臺（ LIGO，Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）雙子探測器同時捕捉到了一個令人震撼的信號。這個被命名為 GW231123 的引力波信號來自迄今為止探測到的最大質量黑洞合并事件，兩個超大質量黑洞的碰撞產生了一個重達225 倍太陽質量的新黑洞，刷新了引力波天文學的紀錄。

這次合并涉及的兩個黑洞質量分別約為 103 倍和 137 倍太陽質量，遠超過此前的紀錄保持者。2021年探測到的 GW190521 事件曾創下當時的最高紀錄，合并后產生的黑洞質量約為 140 倍太陽質量，而 GW231123 的結果比這一數字高出了 60% 以上。在合并過程中，約有 15 個太陽質量的物質被轉化為純粹的能量，以引力波的形式向宇宙四方傳播，最終在距離地球約 20 億至 130 億光年的遙遠距離上被探測器捕獲。事件的信噪比約為 22.5，這是一個相當強的信號強度，為科學家們提供了豐富的數據來分析這次極端的宇宙事件。

（來源：LIGO）

GW231123 的發現難以用現有的恒星演化理論來解釋。根據標準恒星演化模型，質量超過 140 倍太陽的恒星在生命終結時會發生對不穩定超新星爆發（pair-instability supernova），這種爆發如此劇烈，會完全摧毀恒星核心，不留下任何黑洞殘留物。這種機制在黑洞質量分布中形成了一個“質量空隙”（mass gap），大約在 60 到 130 倍太陽質量之間的黑洞應該極其罕見。然而，GW231123 中的黑洞質量恰好落在這個“禁區”內或其邊緣。英國卡迪夫大學的 Mark Hannam 教授指出：“按照標準恒星演化模型，如此大質量的黑洞是被‘禁止’存在的。”因此，這些黑洞很可能并非通過傳統的恒星坍縮過程形成，而是經歷了更復雜的演化歷程。

除了驚人的質量外，這兩個黑洞還展現出了極其罕見的自旋特征。分析顯示，它們都在以接近廣義相對論理論允許的極限速度旋轉，自旋參數分別達到 0.9 和 0.8，而理論最大值為 1。這種極高的自旋速度為理解其形成機制提供了關鍵線索。當兩個黑洞合并時，合并產生的黑洞通常會獲得更快的自轉速度，因此 GW231123 中涉及的黑洞很可能是早期較小黑洞合并事件的產物，這種現象被稱為“層級合并”（hierarchical merger）。在這種情況下，最初形成的較小黑洞經過多次合并逐步增長，每次合并都會增加其質量和自旋速度，最終形成我們觀測到的這些極端天體。

此次 GW231123 的成功探測實際上也代表著當前引力波探測技術的極限能力。這些黑洞的高質量和極快自旋將引力波探測技術和理論模型都推向了邊界。科學家們需要使用最先進的理論模型來解析信號，這些模型必須考慮高速自旋黑洞的復雜動力學過程。引力波信號的持續時間僅有十分之一秒，但這短暫的瞬間包含了關于黑洞質量、自旋、距離等關鍵物理參數的重要信息。

自 2015 年 LIGO 首次直接探測到引力波以來，該領域取得了巨大進展。如今，LIGO 已經與意大利的 Virgo 探測器和日本的 KAGRA（Kamioka Gravitational Wave Detector）探測器形成了全球協作網絡。自 2023 年 5 月開始的第四次觀測運行中，這個國際合作網絡已經探測到超過 200 個黑洞合并候選事件，累計探測數量已經超過 300 個。得益于探測能力的大幅提升，GW231123 這樣的稀有事件才能被成功探測和分析。

（來源：LIGO）

這次發現為理解中等質量黑洞的形成提供了重要證據。在宇宙中，天文學家已經觀測到大量的恒星級黑洞（幾倍到幾十倍太陽質量）和超大質量黑洞（數百萬到數十億倍太陽質量），但中等質量黑洞（約 100 到 100,000 倍太陽質量）一直相對難以找到。GW231123 表明，質量約 200 倍太陽的中等質量黑洞確實可以通過引力波驅動的合并過程形成。這類黑洞可能在星系演化中扮演著重要角色，通過層級合并的方式不斷增長質量和自旋速度，最終可能發展成為星系中心的超大質量黑洞。

同時，GW231123 的復雜特征也進一步要求科學界開發更先進的理論工具。不同信號模型在推斷參數方面存在差異，表明該事件的某些性質存在較大的系統性不確定性。英國伯明翰大學的 Gregorio Carullo 預測，學界可能需要數年時間才能完全解開這個復雜信號模式及其所有含義。科學家們正在努力改進用于解釋此類極端事件的模型，這些工作將有助于更好地理解宇宙中最極端的物理過程。

GW231123 的詳細分析結果已于 7 月 14 日至 18 日在英國格拉斯哥舉行的第 24 屆國際廣義相對論與引力會議（GR24，24th International Conference on General Relativity and Gravitation）暨第 16 屆 Edoardo Amaldi 引力波會議上發表。這些校準數據將通過引力波開放科學中心（GWOSC，Gravitational Wave Open Science Center）向全球研究人員開放，供進一步分析和研究。

目前，引力波天文學正處在一個關鍵的發展階段。除了現有的探測器，印度的 LIGO 探測器正在建設中，預計將在 2025 年后投入運行。這些探測器的升級和新增將大大提升整個網絡的探測能力，有望在未來十到十五年內觀測到宇宙中所有的黑洞合并事件。

然而，與此同時，美國國家科學基金會（NSF，National Science Foundation）卻面臨著預算削減的壓力，或將導致 LIGO 的一個觀測站被關閉。這種情況讓科學界感到擔憂，因為雙探測器系統對于確認引力波信號的真實性至關重要。如果沒有至少兩個探測器的同步探測，科學家們就無法確定他們確實觀測到了真實的黑洞合并事件。

參考資料：

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

2.https://www.nature.com/articles/d41586-025-02212-7

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