双黑洞相撞：对爱因斯坦相对论最严苛的考验

在10月28日发表于《天体物理学杂志通讯》的一项研究中，国际LIGO-Virgo-KAGRA合作组宣布探测到两个引人注目的引力波信号，它们来自去年10月和11月记录到的具有异常自旋模式的黑洞。

时空涟漪揭示宇宙碰撞
引力波是时空的微小涟漪，当大质量天体碰撞或合并时产生。最强的信号来自黑洞的碰撞。第一个事件GW241011（2024年10月11日）发生在距离地球约7亿光年处，当时两个质量分别约为太阳20倍和6倍的黑洞合并。其中较大的那个被确认为观测到的自旋最快的黑洞之一。
大约一个月后，第二个事件GW241110（2024年11月10日）在约24亿光年外被探测到。这次合并涉及质量约为太阳17倍和8倍的黑洞。与大多数黑洞自旋方向与其轨道方向一致不同，GW241110中的主黑洞自旋方向相反，这是首次观测到这种结构。
合著者、拉斯维加斯内华达大学天体物理学助理教授卡尔-约翰·哈斯特说：“每一次新的探测都为我们提供了关于宇宙的重要见解，提醒我们每一次观测到的合并既是天体物理学发现，也是探索基本物理定律的宝贵实验室。根据早期观测，曾预测过此类双黑洞系统的存在，但这是它们存在的首个直接证据。”

揭示合并黑洞的秘密生命
爱因斯坦于1916年在其广义相对论中首次预言了引力波的存在。20世纪70年代，引力波的存在得到了间接证实，但科学家直到2015年才直接观测到它们——当时LIGO天文台探测到了由黑洞合并产生的引力波。
如今，LIGO-Virgo-KAGRA网络作为一个全球先进探测器系统运行。该团队目前正处于第四次观测阶段（O4），始于2023年5月，将持续至2025年11月中旬。迄今为止，已探测到约300次黑洞合并，包括在此次持续运行中发现的候选事件。
GW241011和GW241110的近期探测表明，引力波天文学在揭示黑洞系统内部运作方面取得了长足进步。这两个事件都表明，其中一些黑洞可能是“第二代”黑洞，由早期合并的残余物形成。
卡迪夫大学教授、LIGO科学合作组织发言人斯蒂芬·费尔赫斯特说：“GW241011和GW241110是LIGO-Virgo-KAGRA网络观测到的数百个事件中最具新颖性的事件之一。这两个事件中都有一个黑洞，其质量明显大于另一个，且自旋迅速，它们为这些黑洞由先前的黑洞合并形成提供了诱人的证据。”
研究人员注意到几个有趣的模式，包括成对黑洞之间的巨大质量差异（较大的黑洞质量几乎是其伴星的两倍）以及异常的自旋方向。这些特征表明，这些黑洞是通过一种称为层级合并的过程形成的——在星团等人口稠密的区域，黑洞在其生命周期中会多次碰撞。
合著者、威廉姆斯学院助理教授托马斯·卡利斯特说：“这两次双黑洞合并为我们提供了关于黑洞早期生命最令人兴奋的见解之一。它们告诉我们，有些黑洞不仅作为孤立的伙伴存在，还可能是密集而动态群体的成员。展望未来，我们希望这些事件和其他观测将让我们越来越多地了解容纳这些群体的天体物理环境。”

在极端条件下检验爱因斯坦理论
GW241011探测的极高精度为研究人员提供了在有史以来测量过的最极端环境中检验爱因斯坦广义相对论的机会。由于这个事件被清晰捕获，科学家可以将结果与爱因斯坦方程的预测以及罗伊·克尔描述旋转黑洞的解进行比较。
GW241011的快速自旋使其形状略有扭曲，在引力波中留下了独特的“指纹”。数据分析显示，它与克尔模型异常匹配，以创纪录的精度证实了爱因斯坦的预测。
碰撞黑洞的质量差异也产生了“高次谐波”——一种类似于乐器泛音的泛音。这种罕见特征仅第三次被清晰观测到，为爱因斯坦理论提供了又一次成功检验。
哈斯特说：“GW241011的强度及其黑洞组件的极端特性为我们提供了前所未有的手段来检验我们对黑洞本身的理解。我们现在知道，黑洞的形状正如爱因斯坦和克尔所预测的那样，广义相对论的成功列表上又可以添加两个对勾。这一发现还意味着，我们对任何可能超越爱因斯坦理论的新物理现象比以往任何时候都更加敏感。”

寻找新粒子的线索
像本研究中观测到的快速旋转黑洞现在有了另一个应用——在粒子物理学中。科学家可以用它们来检验某些假设的轻量级基本粒子是否存在以及它们的质量大小。
这些被称为超轻玻色子的粒子是一些超越粒子物理标准模型（描述和分类所有已知基本粒子的理论）的理论所预测的。如果超轻玻色子存在，它们可以从黑洞中提取旋转能量。提取的能量多少以及黑洞旋转随时间减慢的程度取决于这些粒子的质量，而其质量仍是未知的。GW241011双黑洞系统中那个大质量黑洞在形成数百万或数十亿年后仍能快速旋转，这一观测结果排除了大范围的超轻玻色子质量。
费尔赫斯特说：“LIGO、Virgo和KAGRA探测器的计划升级将使我们能够进一步观测类似系统，从而更好地理解支配这些双黑洞系统的基本物理以及导致它们形成的天体物理机制。”
LIGO利文斯顿天文台台长乔·贾梅指出，LIGO的科学家和工程师近年来对探测器进行了改进，从而实现了对合并波形的精确测量，使得GW241011和GW241110所需的精细观测成为可能。他说：“更高的灵敏度不仅使LIGO能够探测到更多信号，还能让我们更深入地理解所探测到的信号。”