地球上引力波探测器“聆听”到的时空涟漪目录数量翻倍

IT之家 3 月 8 日消息，科学家表示，地球上的引力波探测器“聆听”到的时空涟漪目录数量已翻倍，新发现的引力波源包括不稳定的黑洞合并事件，以及迄今为止探测到的质量最大的黑洞碰撞。

早在 1915 年，阿尔伯特 · 爱因斯坦就预言：当宇宙中密度最高、最极端的天体发生碰撞时，这些事件会让时空本身（被统一称为“时空”的四维实体）产生震荡。一百年后的 2015 年 9 月 14 日，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了这些时空涟漪，它们源自 13 亿多光年之外的黑洞碰撞。

从那以后，LIGO 及其合作引力波探测器 —— 意大利的室女座干涉仪（Virgo）和日本的神冈引力波探测器（KAGRA），已经探测到大量来自黑洞合并、中子星合并，甚至黑洞与中子星“混合合并”的引力波。LIGO-Virgo-KAGRA 合作组（LVK）的最新观测数据显示，宇宙中充斥着来自天体碰撞的引力波。

加州理工学院的 LVK 成员露西 · 托马斯在一份声明中说：“每一次新的引力波探测，都让我们以十年前无法想象的方式，解开宇宙谜题的又一块碎片。想到未来的观测任务能为我们揭开哪些天体物理奥秘与惊喜，就令人无比激动。”

这份被命名为《引力波瞬变目录 4.0》（GWTC-4）的数据集包含 128 个极其遥远的引力波源，数据来自这些引力波探测器的第四次观测运行，观测时间为 2023 年 5 月至 2024 年 1 月。

在此之前，LIGO、Virgo 与 KAGRA 前三次观测仅“捕捉”到 90 个潜在引力波源。令人振奋的是，GWTC-4 的规模本可以更大：LIGO、Virgo 和 KAGRA 还探测到约 170 个引力波信号，尚未被纳入该目录。

英国卡迪夫大学教授、LIGO 发言人斯蒂芬 · 费尔赫斯特在声明中表示：“过去十年，引力波天文学从首次探测，发展到观测数百次黑洞合并。这些观测让我们更深入地理解大质量恒星坍缩形成黑洞的过程，探索宇宙的演化，并对广义相对论进行越来越严格的验证。”

GWTC-4 最突出的特点之一，是产生这些信号的事件类型极为丰富。目录中包含：

• 迄今观测到质量最大的双黑洞合并事件，单个黑洞质量约为太阳的 130 倍；
• 质量差异悬殊的不对称黑洞合并；
• 旋转速度接近光速 40% 的高速自旋黑洞。

科学家认为，这些参与合并的黑洞之所以拥有极端特征，是此前多次碰撞的结果，这为“合并链”理论提供了证据，该理论可以解释部分黑洞如何成长为太阳质量数十亿倍的超大质量黑洞。

麻省理工学院科学家、LVK 成员萨尔瓦托雷 · 维塔莱在声明中说：“这组数据让我们更加确信：在宇宙早期发生碰撞的黑洞，相比后期碰撞的黑洞，更容易拥有更大的自旋速度。”

IT之家注意到，GWTC-4 还新增了两例黑洞与中子星的混合合并事件。

英国格拉斯哥大学的 LVK 成员丹尼尔 · 威廉姆斯表示：“这份目录传递的信息是：我们正在拓展所谓‘参数空间’的新领域，观测到全新类型的黑洞。我们真的在突破边界，看到质量更大、自旋更快、在天体物理上更奇特、更不寻常的现象。”

该目录也证明了 LVK 探测器的灵敏度已达到极高水平。部分中子星合并事件发生在远至 10 亿光年之外，部分黑洞合并则远达 100 亿光年。这些探测让科学家得以检验最早预言黑洞与引力波存在的理论 —— 爱因斯坦的巅峰引力理论：广义相对论。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校的 LVK 成员阿伦 · 齐默尔曼说：“黑洞是广义相对论最具标志性、也最颠覆认知的预言之一。它们对时空的扰动，几乎比我们能观测到的任何过程都要剧烈。在检验物理理论时，观测最极端的环境非常有价值，因为理论最有可能在这些地方失效，而我们也最有可能在这里取得新发现。到目前为止，广义相对论通过了我们所有的检验。但我们也意识到，必须做出更精确的理论预测，才能跟上宇宙为我们提供的海量数据。”

LVK 的相关研究成果即将发表在《天体物理学杂志快报》的特刊上。