迄今探测到的最大规模黑洞碰撞挑战黑洞形成理论

当时空的宁静被打破

2023年11月23日，地球上最灵敏的引力波探测仪器捕捉到了时空中一段短暂但剧烈的涟漪。这一信号极其不寻常，以至于研究人员对其进行了长达数月的持续研究——当2025年7月中旬公布结果时，它们彻底颠覆了关于最重恒星级黑洞如何诞生的固有认知。

探测到了什么

为什么这对标准理论构成挑战

几十年来，恒星演化模型一直预言在黑洞质量谱中存在一个间隙。那些理论上会产生大约60到130倍太阳质量黑洞的极高质量恒星，预计会经历“对不稳定性”（pair-instability）过程，要么抛射掉恒星的大部分质量，要么将恒星彻底炸碎，不留下任何致密残骸。这一理论区间被称为“对不稳定性质量间隙”。

如此巨大且高速自旋的黑洞是如何形成的？

• 等级并合： 在球状星团或年轻星团拥挤的中心等高密度环境中，黑洞可以发生多次并合。每一次并合都会产生一个更重、且通常高速自旋的残骸，随后它可能再次找到新的伴星。通过几代的重复过程，可以在质量间隙内及上方构建出天体。
• 在活动星系核（AGN）内部吸积： 在超大质量黑洞周围致密的气体盘中运行的大质量黑洞可能会吸积气体并发生迁移，在并合前增加质量。这种环境还会以复杂的方式使自旋对齐或错位，从而产生在GW231123中观测到的高自旋。
• 奇特渠道或恒星物理学的修正： 一些模型提出对“对不稳定性”运作机制的修正——或许是由于前身星具有不同的金属丰度、旋转或混合方式——这可能允许直接形成比此前认为的更重的残骸。

每种方案都有其优缺点。为GW231123测得的极高自旋更支持“等级并合”起源，因为早期的并合提升了角动量。但等级并合往往也会使历代并合的自旋方向随机化，由于该信号过于短暂，这些特征在引力波波形中很难被证实。

为什么数据难以解读

由于并合的两个黑洞质量巨大，探测器仅捕捉到了它们旋进（inspiral）和并合的最后瞬间——大约只有十分之一秒。这意味着引力波周期更少，用于确定质量比、取向和自旋倾角等参数的信息也更少。用于推导系统属性的不同波形模型并不完全一致，这在质量和自旋估算中引入了系统不确定性。

这些模型差异至关重要：如果一个波形族比另一个波形族更倾向于略有不同的质量或自旋，那么天体物理学的解释——即组件究竟是处于质量间隙之内，还是位于其边缘——就会发生变化。因此，合作团队对所声称的精度持保守态度，并正在开展后续工作，以改进波形并进行独立分析。

在宏观视角下的意义

在GW231123之前，已有早期的引力波探测暗示了意料之外的重型黑洞。2019-2020年发现的由双星形成的第一个明确的中等质量黑洞GW190521已经挑战了现有模型。对LIGO存档数据的重新分析也发现了一些可能产生中等质量残骸的候选事件，这表明我们可能正目睹一个此前被隐藏的族群。

存在多个重型并合事件的证据具有广泛的影响。它影响我们对第一代恒星如何生存与死亡、致密星团内部动力学以及气态星系环境作用的理解。它还为构建中等质量黑洞提供了一条实证路径——这是恒星级黑洞与超大质量黑洞之间长期寻找的桥梁。

下一步研究方向

研究人员将使用更复杂的波形模型、针对性的数值相对论模拟和独立的参数估计代码来精细化参数估算。机器学习技术和对存档数据的重新分析也将继续发掘重型并合候选事件，这将有助于建立对该族群的统计置信度。

应变与新机遇

GW231123不仅仅是日益增长的引力波发现目录中的又一个条目。它是一个挑战：一个挤压理论边界的数据点，迫使天体物理学家扩大或更换部分标准论述。无论答案在于拥挤星团内的重复碰撞、星系核中吞噬气体的饥饿黑洞，还是恒星死亡物理学的修正，这一发现都为自然界如何构建最重的致密天体打开了一扇新的窗口。

目前，这一信号作为一个强有力的提醒，展示了通过引力波倾听宇宙的科学价值——宇宙中一些最有趣的秘密，往往是以一段短暂而有力的低语抵达的。

James Lawson 是 Dark Matter 的深度科技记者。他拥有伦敦大学学院（University College London）的科学传播硕士学位和物理学学士学位。