2024 年末，相隔一個月檢測到的兩次超大質量黑洞碰撞正在影響科學家如何解釋宇宙中一些最猛烈的宇宙事件。這些孿生合併不僅為黑洞如何形成和演化提供了新的見解。但這也證實了阿爾伯特廣義相對論的預測。愛因斯坦具有無與倫比的精確性。這一發現可能有助於研究人員發現尚未發現的新粒子，這些粒子可以從黑洞中提取能量。
10 月 28 日發表的一項研究顯示 天體物理學期刊通訊LIGO-Virgo-KAGRA 合作 國際社會宣布探測到去年 10 月和 11 月記錄的兩個來自黑洞的非凡引力波信號，這些信號具有不尋常的旋轉模式。
時空的漣漪揭示了宇宙的碰撞。
引力波是微小的漣漪。在大型天體碰撞或合併時發生的時空中。最強的信號來自黑洞碰撞。第一個事件 GW241011（2024 年 10 月 11 日）發生在距地球約 7 億光年處，當時兩個質量為太陽質量 20 至 6 倍的黑洞合併。較大的黑洞已被確定為迄今為止旋轉最快的黑洞之一。
大約一個月後，在大約 24 億光年之外檢測到第二個事件 GW241110（2024 年 11 月 10 日）。這次合併涉及質量在 17 到 8 個太陽質量之間的黑洞。與大多數黑洞不同，GW241110中的主黑洞旋轉方向相同，軌道方向相反。這是對這種配置的首次觀察。
“每一次新的探測都提供了關於宇宙的重要見解。它提醒我們，每一次觀測到的合併都是一個天體物理學的發現。“像這樣的雙星系統是根據以前的觀測來預測的。但這是它們存在的第一個直接證據。 ”
揭示合併黑洞的秘密生活
愛因斯坦於 1916 年首次預言引力波的存在，作為其廣義相對論的一部分。它們的存在在 20 世紀 70 年代就被間接證實，但直到 2015 年 LIGO 天文台檢測到黑洞合併產生的波時，科學家們才直接觀察到它們。
目前，LIGO-Virgo-KAGRA網絡作為一個世界級的先進探測器系統，該團隊目前正在進行第四次觀測，稱為O4，該觀測於2023年5月開始，並將持續到2025年11月中旬。到目前為止，已經檢測到約300個黑洞合併，包括在這次正在進行的操作中發現的一些候選黑洞合併。
最近對 GW241011 和 GW241110 的探測顯示了引力波天文學在揭示黑洞系統內部運作方面取得了多大進展。這兩個事件都表明，其中一些黑洞可能是由先前合併的殘餘物形成的“第二代”。
卡迪夫大學教授兼 LIGO 科學合作組織發言人 Stephen Fairhurst 表示：“GW241011 和 GW241110 是該網絡中數百個獨特事件之一。LIGO-Virgo-KAGRA 觀察到。” “在這兩個事件中，一個黑洞的質量明顯大於另一個，並且旋轉速度很快。因此，它們提供了誘人的證據，證明這些黑洞是由之前的黑洞合併形成的。”
研究人員注意到一些有趣的模式。包括這些黑洞對之間質量上的巨大差異。較大的一顆的質量幾乎是其對應物的兩倍。和異常旋轉方向這些特徵表明黑洞是通過稱為分層合併的過程形成的。星團等人口稠密區域的黑洞在其一生中會發生多次碰撞。
威廉姆斯學院的合著者兼助理教授托馬斯·卡利斯特說：“這兩個雙黑洞的合併為我們提供了有關黑洞早期生命的一些最令人興奮的見解。”他們告訴我們，有些黑洞不僅僅是作為獨立的伙伴而存在。但也可能是密集而熱鬧的人群中的一員。未來，希望這些事件和其他觀察結果能夠繼續展開。將讓我們越來越多地了解歡迎這些人群的天體物理環境。 ”
在極端條件下檢驗愛因斯坦的理論
GW241011 的探測精度極高，使研究人員有機會在有史以來測量過的最極端的環境之一中測試愛因斯坦的廣義相對論。因為這件事被記錄得很清楚。然後，科學家們能夠將結果與愛因斯坦方程和羅伊解的預測進行比較。克爾描述了一個旋轉的黑洞。
GW241011的快速旋轉導致其形狀輕微扭曲。這在引力波中留下了獨特的指紋。數據分析顯示與克爾的模型非常匹配。這以創紀錄的準確性證實了愛因斯坦的預測。
碰撞黑洞質量的顯著差異也會產生“高次諧波”，這些諧波的音調類似於樂器中聽到的音調。這種罕見的特徵僅在第三次才顯現出來。這被認為是對愛因斯坦理論的又一次成功檢驗。
哈斯特說，GW241011的強度與黑洞成分的極端特性相結合，提供了一種前所未有的方式來測試我們對黑洞的理解。我們現在知道黑洞具有愛因斯坦和克爾預測的形狀。廣義相對論可以在其長長的成就清單上再添加兩個複選標記。這一發現也意味著我們對新物理學更加敏感。比以往任何時候都多，這可能超出了愛因斯坦的理論。 ”
尋找新粒子的線索
像本研究中觀察到的那樣快速旋轉的黑洞現在在粒子物理學中還有其他應用。科學家可以用它來測試假設的輕質基本粒子是否存在。它有多少質量？
這些粒子稱為玻色子，非常輕。它是由粒子物理標準模型之外的一些理論預測的。它描述並分類了所有已知的基本粒子。如果有一個很輕的玻色子，它可以從黑洞中提取旋轉能量。提取的能量量以及黑洞隨時間減速的速度取決於這些粒子的質量。目前還不確定
觀察到雙星系統中發出 GW241011 的大質量黑洞在形成後甚至數百萬或數十億年仍繼續快速旋轉，這也排除了廣泛的超輕玻色子質量。
LIGO、Virgo 和 KAGRA 探測器的計劃升級將使更多類似的系統能夠被觀測到。它幫助我們更好地理解控制這些黑洞雙星系統的基礎物理學以及導致它們形成的天體物理機制，”費爾赫斯特說。
LIGO 利文斯頓天文台設施負責人 Joe Giaime 指出，LIGO 科學家和工程師近年來對探測器進行了改進。這導致了合併波形的精確測量。這可以實現 GW241011 和 GW241110 所需的靈敏觀察。
“靈敏度的提高不僅能讓 LIGO 探測到更多信號。而且還能讓我們對探測到的信號有更深入的了解，”他說。
