科学家探测到迄今最大质量黑洞合并事件，或将改写恒星演化理论

2023 年 11 月 23 日，位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台（ LIGO，Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）双子探测器同时捕捉到了一个令人震撼的信号。这个被命名为 GW231123 的引力波信号来自迄今为止探测到的最大质量黑洞合并事件，两个超大质量黑洞的碰撞产生了一个重达225 倍太阳质量的新黑洞，刷新了引力波天文学的纪录。

这次合并涉及的两个黑洞质量分别约为 103 倍和 137 倍太阳质量，远超过此前的纪录保持者。2021年探测到的 GW190521 事件曾创下当时的最高纪录，合并后产生的黑洞质量约为 140 倍太阳质量，而 GW231123 的结果比这一数字高出了 60% 以上。在合并过程中，约有 15 个太阳质量的物质被转化为纯粹的能量，以引力波的形式向宇宙四方传播，最终在距离地球约 20 亿至 130 亿光年的遥远距离上被探测器捕获。事件的信噪比约为 22.5，这是一个相当强的信号强度，为科学家们提供了丰富的数据来分析这次极端的宇宙事件。

GW231123 的发现难以用现有的恒星演化理论来解释。根据标准恒星演化模型，质量超过 140 倍太阳的恒星在生命终结时会发生对不稳定超新星爆发（pair-instability supernova），这种爆发如此剧烈，会完全摧毁恒星核心，不留下任何黑洞残留物。这种机制在黑洞质量分布中形成了一个“质量空隙”（mass gap），大约在 60 到 130 倍太阳质量之间的黑洞应该极其罕见。然而，GW231123 中的黑洞质量恰好落在这个“禁区”内或其边缘。英国卡迪夫大学的 Mark Hannam 教授指出：“按照标准恒星演化模型，如此大质量的黑洞是被‘禁止’存在的。”因此，这些黑洞很可能并非通过传统的恒星坍缩过程形成，而是经历了更复杂的演化历程。

除了惊人的质量外，这两个黑洞还展现出了极其罕见的自旋特征。分析显示，它们都在以接近广义相对论理论允许的极限速度旋转，自旋参数分别达到 0.9 和 0.8，而理论最大值为 1。这种极高的自旋速度为理解其形成机制提供了关键线索。当两个黑洞合并时，合并产生的黑洞通常会获得更快的自转速度，因此 GW231123 中涉及的黑洞很可能是早期较小黑洞合并事件的产物，这种现象被称为“层级合并”（hierarchical merger）。在这种情况下，最初形成的较小黑洞经过多次合并逐步增长，每次合并都会增加其质量和自旋速度，最终形成我们观测到的这些极端天体。

此次 GW231123 的成功探测实际上也代表着当前引力波探测技术的极限能力。这些黑洞的高质量和极快自旋将引力波探测技术和理论模型都推向了边界。科学家们需要使用最先进的理论模型来解析信号，这些模型必须考虑高速自旋黑洞的复杂动力学过程。引力波信号的持续时间仅有十分之一秒，但这短暂的瞬间包含了关于黑洞质量、自旋、距离等关键物理参数的重要信息。

自 2015 年 LIGO 首次直接探测到引力波以来，该领域取得了巨大进展。如今，LIGO 已经与意大利的 Virgo 探测器和日本的 KAGRA（Kamioka Gravitational Wave Detector）探测器形成了全球协作网络。自 2023 年 5 月开始的第四次观测运行中，这个国际合作网络已经探测到超过 200 个黑洞合并候选事件，累计探测数量已经超过 300 个。得益于探测能力的大幅提升，GW231123 这样的稀有事件才能被成功探测和分析。

这次发现为理解中等质量黑洞的形成提供了重要证据。在宇宙中，天文学家已经观测到大量的恒星级黑洞（几倍到几十倍太阳质量）和超大质量黑洞（数百万到数十亿倍太阳质量），但中等质量黑洞（约 100 到 100,000 倍太阳质量）一直相对难以找到。GW231123 表明，质量约 200 倍太阳的中等质量黑洞确实可以通过引力波驱动的合并过程形成。这类黑洞可能在星系演化中扮演着重要角色，通过层级合并的方式不断增长质量和自旋速度，最终可能发展成为星系中心的超大质量黑洞。

同时，GW231123 的复杂特征也进一步要求科学界开发更先进的理论工具。不同信号模型在推断参数方面存在差异，表明该事件的某些性质存在较大的系统性不确定性。英国伯明翰大学的 Gregorio Carullo 预测，学界可能需要数年时间才能完全解开这个复杂信号模式及其所有含义。科学家们正在努力改进用于解释此类极端事件的模型，这些工作将有助于更好地理解宇宙中最极端的物理过程。

GW231123 的详细分析结果已于 7 月 14 日至 18 日在英国格拉斯哥举行的第 24 届国际广义相对论与引力会议（GR24，24th International Conference on General Relativity and Gravitation）暨第 16 届 Edoardo Amaldi 引力波会议上发表。这些校准数据将通过引力波开放科学中心（GWOSC，Gravitational Wave Open Science Center）向全球研究人员开放，供进一步分析和研究。

目前，引力波天文学正处在一个关键的发展阶段。除了现有的探测器，印度的 LIGO 探测器正在建设中，预计将在 2025 年后投入运行。这些探测器的升级和新增将大大提升整个网络的探测能力，有望在未来十到十五年内观测到宇宙中所有的黑洞合并事件。

然而，与此同时，美国国家科学基金会（NSF，National Science Foundation）却面临着预算削减的压力，或将导致 LIGO 的一个观测站被关闭。这种情况让科学界感到担忧，因为双探测器系统对于确认引力波信号的真实性至关重要。如果没有至少两个探测器的同步探测，科学家们就无法确定他们确实观测到了真实的黑洞合并事件。

参考资料：

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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