打破记录黑洞碰撞，挑战现有理论

2015年，LIGO（激光干涉引力波天文台）首次直接探测到来自双黑洞并合产生的引力波。之后，LIGO与Virgo（室女引力波探测器）、KAGRA（神冈引力波探测器）组建了LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作组。这些探测器在第四轮观测运行中探测到了200多个双黑洞并合产生的引力波信号。

7月13日，LVK合作组报告了迄今为止观测到的最极端的黑洞并合事件——一个约137倍太阳质量的黑洞和另一个约103倍太阳质量的黑洞，并合产生了一个约225倍太阳质量的新黑洞。

前所未有的“巨兽”并合

这一“史诗级”的引力波事件被命名为GW231123，于2023年11月23日在LVK网络的第四轮观测运行中被探测到。在此之前，已确认的最大质量黑洞并合记录来自GW190521，该事件形成的最终黑洞质量约为太阳的140倍。相比之下，GW231123事件中最终的并合黑洞几乎将这一纪录提升了近百个太阳质量。

除了巨大的质量之外，这一事件的黑洞还有着异常高的自旋速度，几乎达到了广义相对论允许的理论极限。具体来说，其中一个黑洞的自旋速度达到了其上限的90%，另一个也接近80%。

这一事件不仅刷新了观测纪录，还对现有关于黑洞的形成与并合的物理理论提出了严峻挑战。研究人员推测，GW231123事件中的黑洞，可能具有非常规的“身世”。

撼动理论的“质量间隙”

根据恒星演化理论，质量低于约60个太阳质量的黑洞，是由恒星坍缩形成的。但当黑洞落在所谓的”质量间隙“，即质量介于60至130倍太阳质量这个区间时，这个形成机制便不再起作用。这是因为能形成这一质量范围的黑洞的恒星，要么在死亡时发生完全爆炸不留下任何残骸，要么在坍缩前抛出其大部分物质，从而阻止了大质量黑洞的形成。

GW231123事件。（图/Caltech）

然而，GW231123事件却对这一理论提出挑战：其中较轻的黑洞有83%的概率位于质量间隙内；较重的那个黑洞，也有26%的概率落在这个范围。这表明传统的恒星演化理论可能无法完全解释它们的起源。那么，这些黑洞是从哪来的呢？

对此，研究人员推测，有一种可能性是：在这两个黑洞至中，至少有一个是通过“多代”黑洞重复并合、逐步“成长”而来。这可以解释为什么它们的质量那么大，旋转那么快。而想要让黑洞有机会不断碰撞并合，它们可能诞生于非常致密的环境，比如密集的恒星团或活动星系核中。

其他可能产生类似信号的情形包括了引力透镜效应、原初黑洞、核心坍缩超新星、宇宙弦等，但可能性并不高。

复杂的谜题

目前，这一事件尚无法与任何现有的主流黑洞形成机制完全契合——没有一种理论能够完全解释这一观测结果，但也没有一种能被完全排除。即便是最为基础的模型，即黑洞是直接由恒星坍缩形成，仍有可能成立：只要其中一个黑洞质量在“质量间隙”之上，另一个在“质量间隙”之下，该机制在理论上就仍具备说服力。

由于黑洞体积过于庞大，科学家仅捕捉到此次事件最后约0.1秒的引力波的“尾声”。这使得对事件的解析更加困难。与此同时，多个理论模型在解读黑洞特性时结果并不一致，增加了对其质量、自旋等性质的不确定性。未来更多的模拟工作将有助于深化对这种极端事件的理解。研究人员预计，要全面解析这组复杂信号及其深层意义，整个科研界或将需要数年时间的持续努力。

#参考来源：

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

#图片来源：

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