宇宙中“失落的世界”

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翻译：葛文迪

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://www.space.com/astronomy/black-holes/astronomers-discover-a-lost-world-of-black-hole-mergers-its-the-astronomical-equivalent-of-uncovering-an-ancient-civilization

"现在，我们有越来越多的证据表明，宇宙创造合并黑洞的方式，除了来自大质量双星系统之外，还有其他途径。"

天文学家们发现了"黑金"——一个黑洞合并的宝库。这一发现是通过分析时空（即空间与时间的统一体）中的涟漪，也就是引力波而实现的。

合并黑洞的示意图，引力波探测到的合并黑洞质量。

图片来源：罗伯特·李/LIGO-Kagra-VIRGO/亚伦·盖勒/西北大学

这一大批合并事件包含在周二（5月26日）发布的引力波瞬变目录5.0（GWTC-5）中，可能会改变我们对黑洞如何相遇和碰撞的理解。最新目录包含了161个新的引力波信号，这些信号是由LIGO（激光干涉引力波天文台）、Virgo和KAGRA（神冈引力波探测器）在2024年4月至2025年1月底之间"听到"的合并黑洞发出的。

这使得通过引力波探测到的黑洞合并总数达到390个。

GWTC-5的亮点包括探测到"第二代合并"，即两个在之前合并中形成的黑洞之间的碰撞，以及迄今定位最精确的合并事件。前者可能有助于我们更好地理解使黑洞增长到太阳质量数百万甚至数十亿倍的合并链；后者则可能有助于开发一种利用此类事件及其引力波信号来测量宇宙膨胀速率的方法。

"这次大规模的更新再次拓宽和深化了我们对宇宙的认识，让我们更多地瞥见了它最难以捉摸的天体：碰撞中的黑洞，"引力波研究所的研究员丹尼尔·威廉姆斯在一份声明中说。"我们现在探测到如此多的信号，以至于我们不仅仅是在了解个别碰撞；这相当于在天文学上发现了一个古代文明。

"今天的新发现就像找到了一个以前未被发现的宝藏，不仅揭示了个体的生命，还揭示了整个失落世界的结构。"

✦ 什么是引力波？

引力波最早于1915年作为阿尔伯特·爱因斯坦引力理论（即广义相对论）的一部分被提出。广义相对论认为，有质量的物体会导致时空（空间与时间的四维统一体）弯曲。引力源于这种弯曲，这意味着质量越大，时空的曲率越大，引力影响也越强。

广义相对论更进一步提出，当物体在时空中加速时，它们会产生以光速向外辐射的涟漪：引力波。尽管爱因斯坦最初预测了时空的这种涟漪，但他在引力波的一个方面判断错了：他认为人类永远无法探测到它们。

LIGO于2015年首次探测到引力波；该信号来自约13亿光年外两个大质量黑洞的碰撞和合并。此后，LIGO及其伙伴探测器Virgo和KAGRA探测到了许多黑洞对、超致密中子星对，甚至黑洞与中子星之间混合合并产生的引力波。

探测到的黑洞质量在图表上的组织。

图片来源：LIGO-Kagra-VIRGO/亚伦·盖勒/西北大学

近年来，引力波探测器的灵敏度不断提高，在观测运行阶段，目前探测频率高达每周三到四次，而在停机期间则允许进一步提高灵敏度。

"就在10年前，我们首次探测到来自这类事件的引力波，而现在我们能够探测和分析数百个这样的事件，这确实证明了全球数百名科学家的工作，"威廉姆斯说。

✦ 引力波探测正在引起轰动

GWTC-5数据重要性的两个令人印象深刻的证明是2024年10月11日和11月11日分别探测到的信号GW241011和GW241110。它们分别是7亿光年和24亿光年外两次合并的结果，涉及黑洞的快速自旋以及自旋方向表明这四个黑洞都是第二代天体，即它们是由之前的合并形成的。

"这两项观测显示出特征性迹象，表明每对中较大的黑洞并非直接由大质量恒星形成，而是由两个黑洞之前的合并形成的，"引力波研究所的斯托姆·科洛姆斯在声明中说。"由先前合并形成的黑洞的特征在整个群体中持续存在，表明GW241011和GW241110并非独一无二的，而是追踪了一种潜在趋势。现在，我们有越来越多的证据表明，宇宙创造合并黑洞的方式，除了来自大质量双星系统之外，还有其他途径。"

这表明这两次合并发生在恒星密集的环境中，这将很难进行研究，因为将引力波信号定位回其起源点并不容易。但并非总是如此，正如2024年6月15日探测到的信号GW240615所证明的那样。

两个黑洞相互绕行、在最终碰撞前发射引力波的示意图。

图片来源：马克·加利克/科学图片库/盖蒂图片社

GW240615是距离超过30亿光年处一个26倍太阳质量的黑洞与一个30倍太阳质量的黑洞合并的结果，引力波天文学家能够将GW240615定位到天空中仅6平方度的区域。这使得GW240615成为迄今定位最精确的引力波信号。

"更新的GWTC-5.0目录为我们提供了更大规模的引力波信号集合，以帮助回答宇宙学中最大的问题之一：宇宙膨胀有多快？"引力波研究所的亚历克斯·帕帕多普洛斯在声明中说。"这种膨胀速率由一个称为哈勃常数的值来描述。引力波使我们能够通过估计合并天体的距离来测量这个值，要么直接从信号本身，要么通过确定合并发生的星系。

"每个事件只贡献少量信息，因此这些额外的信号共同显著改善了我们的结果。总之，这些改进帮助我们比以往任何时候都更精确地使用引力波测量哈勃常数，使我们更接近理解现代物理学中最重要的开放性问题之一。"

组成GWTC-5的引力波信号的可视化表示。

图片来源：瑞安·诺维茨基/卡兰·贾尼）

在最新目录中同样引人注目的是2025年1月14日探测到的引力波信号GW250114。这被认为是一个34倍太阳质量的黑洞与约10亿光年外一个32倍太阳质量的黑洞碰撞和合并的结果。这个信号如此清晰，以至于研究人员能够进行迄今最精确的广义相对论检验，此外还证实了斯蒂芬·霍金提出的一个概念，称为黑洞面积定理。

"借助GW250114的清晰度，我们能够比较黑洞合并前后的弯曲时空，发现事件视界（黑洞捕获光线的最外层边界）的总面积按照霍金黑洞力学定律增加了，"格拉斯哥大学的约翰·维奇在声明中说。"合并后，最终的黑洞像钟一样鸣响，发出引力波而非声音。分析这些波证实，尽管在合并过程中引力波会释放能量，但黑洞的总熵按照热力学第二定律增加。

"这表明即使对于黑洞，热力学定律仍然适用，但与普通物体不同的是，它们持有的能量越多，温度就越低。"

LIGO、Virgo和KAGRA很可能会继续做出重新定义我们对宇宙及其最剧烈事件理解的引力波发现。这些探测器计划在今年晚些时候开始为期六个月的中期观测运行（IR1）。这将弥合第四观测运行（于2025年11月18日结束）与第五观测运行（将在2028年至2031年之间进行）之间的差距。

引力波的未来是光明的——或者应该说"响亮"？

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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图片来源：Patrick A.Cosgrove