两个质量超太阳100倍的黑洞之间碰撞，是迄今为止天文学家记录规模最大同类

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据美媒7月18日报道，一幅描绘黑洞在太空中合并的插图。天文学家利用爱因斯坦于1915年预测的物理特性，观测到了有史以来规模最大的此类事件。
最新研究表明，天文学家观测到了两个质量均超过太阳百倍的黑洞之间的碰撞，这是迄今为止记录到的规模最大的同类合并事件。

一个天文学家团队在激光干涉引力波天文台发现了这一事件，该天文台由位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的两个相同仪器组成。LIGO探测到了由两个黑洞相互撞击产生的微弱时空荡漾，物理学家称这种荡漾为引力波。
引力波是阿尔伯特·爱因斯坦于1915年在其广义相对论中预测的，但他认为这些波太过微弱，人类技术永远无法探测到。然而，2016年，LIGO首次探测到了引力波，其时正是黑洞发生了碰撞，这再次证明了爱因斯坦的正确性。次年，三位科学家因对开发这种被平常称为“黑洞望远镜”的装备所做出的关键贡献而获奖。
自首次探测到引力波以来，LIGO及其姊妹仪器——意大利的室女座探测器和日本的神冈引力波探测器，已经捕捉到了约300次黑洞合并的迹象。“这些神奇的探测器是人类有史以来建造的最灵敏的测量仪器，”英国卡迪夫大学引力探测研究所所长、LIGO科学合作组织成员马克·汉纳姆说，“因此，我们通过所能举行的最微小的测量，来观测宇宙中最剧烈和极端的事件。”

然而，GW231123事件在已探测到的300次黑洞合并中显得尤为特殊，不仅因为它是质量最大的碰撞事件。“这两个黑洞之所以特别，是因为它们的质量处于我们原本认为不会由濒死恒星产生的范围内，”英国朴茨茅斯大学研究员、LIGO科学合作组织成员查理·霍伊说，“不仅如此，”他继续说道，“这些黑洞的旋转速率也几乎到达了物理上的极限。GW231123事件对我们理解黑洞的形成提出了真正的挑战。”
引力波是科学家观测双星体系中两个黑洞相互绕转碰撞的唯一途径。“在我们能够通过引力波观测它们之前，甚至有人质疑黑洞双星是否存在，”汉纳姆说，“黑洞不发出任何光线或其他电磁辐射，因此任何常规望远镜都无法观测到它们。”
根据爱因斯坦的广义相对论，引力是时空的拉伸，它迫使物体在弯曲的时空中活动。当物体活动得非常快时，比如旋转的黑洞，弯曲的时空就会形成像波浪一样向外扩散的荡漾。汉纳姆说，这些引力波“极其微弱”，而且它们所能提供的信息也有限。比方，GW231123事件距离地球的距离尚不确定，可能远达120亿光年。不过，汉纳姆对两个黑洞的质量更有信心，它们分别约为太阳质量的100倍和140倍。
然而，这些数字令人费解：“黑洞有标准的形成机制——当恒星耗尽燃料死亡并坍缩时形成，”汉纳姆说，“但在一定质量范围内，我们认为黑洞不可能以这种方式形成。而GW231123事件中的黑洞正好处于这个（质量）间隙的中心。因此，它们是如何形成的，这个问题使它们变得非常有趣。”
汉纳姆提到的“质量间隙”始于约60个太阳质量，竣事于约130个太阳质量，但由于这是一个理论范围，即尚未直接观测到，因此这个间隙的起始和竣事位置存在一定的不确定性。但如果GW231123事件中的黑洞确实落在这个间隙内，那么它们很可能不是由恒星坍缩形成的，而是通过其他方式形成的。
在周一发表在开放获取存储库Arxiv上的一项研究中，汉纳姆和他的同事提出，如果这两个黑洞是先前合并的结果，而不是濒死恒星的产物，那么“质量间隙”就可以得到解释。“这是一种人们过去讨论过的机制，而且我们之前也看到过一些迹象，”他说。
在这种情况下，会发生一系列黑洞合并的连锁反应。“你可以通过这个过程不绝构建出质量越来越大的黑洞。由于GW231123事件中的黑洞看起来像是处于无法通过常规机制获得的质量范围内，因此这强烈暗示着存在另一种过程，即黑洞不绝合并的过程，”汉纳姆解释道。
斯坦福大学卡夫利粒子天体物理学与宇宙学研究所的研究科学家丹·威尔金斯说，如果这一假设得到证实，那么这将表明存在一类意想不到的黑洞，就质量而言，它们介于由大质量恒星死亡形成的黑洞和位于星系中心的超大质量黑洞之间。威尔金斯没有参与GW231123事件的发现。
“引力波正在打开一扇观察黑洞的非常有趣的窗口，并展现出一些真正引人入胜的谜团，”他补充道，“在引力波天文学出现之前，我们只能探测到那些正在通过吸收物质而活跃增长的黑洞，这些黑洞会产生强大的光源。而引力波则向我们展示了黑洞种群的另一部分，它们不是通过吸收物质而增长，而是通过与其他黑洞合并而增长。”
GW231123事件的另一个令人惊讶的特征是两个黑洞相互绕转的速率非常快。“到目前为止，我们通过引力波发现的大多数黑洞旋转速率都相当慢，”查理·霍伊说，“这表明GW231123事件的形成机制可能与其他观测到的合并事件不同，大概这表明我们的模子需要改变。”
这种高速旋转很难产生，但它们也支持了黑洞曾经历过先前合并的想法，因为科学家预计先前合并过的黑洞旋转速率会更快，汉纳姆说。
“GW231123事件对我们的引力波信号模子提出了挑战，因为要对如此（快速的）旋转举行建模非常复杂，而且这一事件作为一次非凡的事件，其解释令人困惑，”加州理工学院博士后研究员、LIGO-室女座探测器-神冈引力波探测器合作组织成员索菲·比尼说，“最让我惊讶的是，关于引力波，我们仍有很多需要了解的地方。我真的盼望未来我们能观测到其他雷同于GW231123的事件，以增长我们对这类体系的理解。”
此前观测到的最大质量黑洞合并事件的记录属于GW190521事件，其规模仅为GW231123事件的60%。但汉纳姆说，科学家未来可能会发现质量更大的合并事件，而且随着未来几十年可能出现更精确的仪器，如美国提出的宇宙探测器（和欧洲的爱因斯坦望远镜，这些碰撞事件可能会被观测到。


这一新发现为黑洞的形成和增长方式开辟了新的视角，佛罗里达大学副传授伊姆雷·巴托斯说，他没有参与这项研究。“这也表明引力波天文学正在迅速成熟，”他补充道，“在不到十年的时间里，我们已经从首次探测发展到了探索挑战我们最佳理论的领域。”
固然他同意先前的合并可以解释黑洞的高质量和快速旋转，但其他可能性包括年轻星团中的反复碰撞或异常大质量恒星的直接坍缩。不过，他补充说，那些可能性产生如此快速旋转的黑洞的可能性较小。
奥地利科学技术研究所传授佐尔坦·海曼也没有参与这项发现，他说，用一代甚至多代先前合并的残余来解释GW231123事件中的黑洞是非常自然的。“在LIGO首次探测到（黑洞）合并事件后，就有人立即提出了这个想法，但这个新合并事件很难用其他方式来解释。”
他补充说，未来的探测将告诉我们“这场重量级对决是一次性事件，还是一座巨大冰山的尖顶”。
（原文标题：Astronomers detect most massive black hole collision to date）

来源：https://view.inews.qq.com/k/20250718A057DU00
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