浙江
西班牙圣地亚哥-德孔波斯特拉大学旗下的高能物理研究所（IGFAE）牵头的国际团队，首次联合测量出黑洞在合并后的“反冲”速度和方向，这一成果已发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）。研究显示，引力波不仅携带能量，也会带走动量，从而在黑洞合并后给最终形成的黑洞一个“踢飞”式的反冲，让它以相当可观的速度在宇宙中移动。
引力波是爱因斯坦在1916年广义相对论中预言的时空涟漪，当黑洞等极端致密、质量巨大的天体剧烈碰撞时，就会激起这种波动，并向宇宙各个方向传播。 由于引力波携带着系统的能量与动量，一旦波的辐射在空间分布上不完全对称，最终生成的黑洞就会在“失衡”的推力下产生反冲，也被形象地称作“黑洞被踢了一脚”。反冲强度与初始两个黑洞的质量和自旋密切相关，而反冲方向则取决于整个系统在空间中的几何构型。
过去，科学家主要能够从引力波信号中测出轨道倾角等少数几何参数，另一关键角度——方位角（azimuthal angle）则一直难以精确获取。 此次研究团队发现，引力波中的“高阶模”（higher-order modes）包含了此前难以读出的几何信息，可以用来还原这一缺失的角度，从而计算出反冲的三维方向。
研究人员以2019年由高级LIGO与Virgo观测站共同探测到的引力波事件GW190412为样本进行方法验证。 该事件中，两颗黑洞质量明显不相等，因而在信号中表现出清晰可辨的高阶模特征，非常适合精细分析。 通过基于爱因斯坦方程的精确数值模拟，团队推算出合并后黑洞的反冲速度超过每秒50公里，这一速度足以使它从某些致密星团（如部分球状星团）中逃脱。 统计分析给出的贝叶斯因子约为21，对应置信度约95%，为这一结论提供了有力支持。
在确定速度大小的同时，团队还把反冲方向与系统轨道轴线、以及地球观测方向等基准方向进行了对比。 结果显示，这一“踢飞”并非沿着轨道平面，也没有直接指向地球，而是指向两者之间的中间方向。 项目成员之一胡安·卡尔德隆-布斯蒂略教授打了一个形象比喻：引力波信号就像一支乐团，人所处位置不同，听到的“乐器”会有差别，而这种“音色差异”帮助科学家重建出黑洞在三维空间中的运动轨迹。 宾夕法尼亚州立大学的库斯塔夫·钱德拉博士则指出，这种方法等于仅凭时空中的“涟漪”，就能重构几十亿光年之外天体的真实运动。
作者表示，这类精确的反冲测量，对于研究在特殊环境中发生的黑洞并合尤为重要，例如在拥有吸积盘的活动星系核中，黑洞并合有可能伴随可见光、电磁辐射等信号。 我们是否能观测到这些闪光，很大程度取决于反冲方向与地球的相对几何关系，因此，掌握反冲方向能够帮助天文学家判断某次引力波事件与某个电磁爆发是否确实来自同一宇宙事件，还是只是时间上的巧合。
研究团队认为，这项工作标志着引力波天文学正逐步走出“只会听见合并发生”的阶段，开始进入能够细致绘制事件空间结构和动力学过程的新阶段。 未来随着探测器灵敏度提高和事件样本增多，同时测得黑洞反冲速度与方向将成为常规手段，帮助科学界更清晰地理解黑洞如何在宇宙中成长、迁移，并塑造星系与大尺度结构的演化。
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