“迄今探测到的最重双黑洞并合事件”

本文来自微信公众号： 中国科学院紫金山天文台 ，编辑：王科超，作者：李银杰，原文标题：《解读丨“迄今探测到的最重双黑洞并合事件”》

在2023年11月23日，地球上的引力波探测器捕捉到了一段来自宇宙深处的极短信号——持续时间仅约0.1秒。尽管这段编号为GW231123的引力波信号只包含寥寥几个周期的微弱振荡，它却可能彻底颠覆人类对黑洞物理的认知。

时空涟漪：聆听宇宙的新方式

要理解这一发现的意义，我们首先需要了解什么是引力波。根据爱因斯坦的广义相对论，当大质量天体加速运动（如双黑洞旋近与并合）或爆炸（如超新星爆发）时，会在时空结构中产生涟漪，就像向水中投入石子产生的波纹。这些时空涟漪就是引力波，它们以光速传播，携带了宇宙中最剧烈事件的信息。

2015年9月14日，人类首次直接探测到了来自双黑洞并合的引力波信号，开启了一个全新的多信使天文学时代。自此，科学家们不仅能通过电磁波“看”宇宙，还能通过引力波“听”宇宙。而GW231123就是被“听”到的来自双黑洞并合最特别的声音之一。

惊人发现：打破纪录的黑洞双星

GW231123事件在两个不同探测器中的信号。分别显示数据振幅随时间变化（上：灰色线条）和对真实信号的估计（上：蓝色阴影），以及信号随时间和频率变化的频谱图（下）。｜图源：LVKC,ApJL,993,L25(2025)

通过分析来自美国两处分别位于Hanford和Livingston的LIGO探测器的数据，科学家们得出了令人震惊的结论：

〇质量创纪录

这两个黑洞的质量分别为约137倍和103倍太阳质量，总质量在190至265倍太阳质量之间。这使GW231123成为人类通过引力波探测到的最重“双黑洞系统”，超越了此前的纪录保持者GW190521。

〇旋转极快

两个黑洞的自转速度都接近理论极限，意味着它们几乎在以最大可能的速度旋转。这使得GW231123不仅是已知最重的，也是旋转最快的黑洞双星系统之一。

〇诞生新巨兽

两个黑洞并合后，形成了一个质量在182至251倍太阳质量之间的新黑洞。这是一个典型的“中等质量黑洞”——比恒星塌缩形成的黑洞重得多，但又远轻于星系中心的超大质量黑洞。

GW231123的主要特征信息丨图源：Simona J.Miller/Caltech)

闯入禁区：挑战传统认知

GW231123最引人注目的地方在于它对现有天体物理学理论的挑战。长期以来，科学家认为宇宙中存在一个黑洞“质量禁区”（约60至130倍太阳质量）。这个禁区被认为与特殊的超新星爆发有关——这类爆发要么会将大质量恒星彻底摧毁（对不稳定性超新星），要么在恒星坍缩前抛射其大部分物质（脉动对不稳定性超新星），从而阻止这一质量段内的黑洞的形成。

然而，GW231123中的两个黑洞公然“闯入了”这个禁区：

• 较小的黑洞有83%的可能性位于禁区内

  
  

• 较大的黑洞也有相当可能性处于这一范围

  
  

这一发现强烈暗示，这些黑洞可能并非来自单颗恒星的标准死亡过程。

连环碰撞：一个可能的解释

如果这些黑洞不是由单个恒星直接塌缩形成的，那它们来自哪里？最令人兴奋的解释是：它们本身可能是更早黑洞并合的产物。

想象一下，在球状星团或活跃星系核等极端密集环境中，黑洞频繁相遇。两个较小的黑洞并合，产生一个更大、旋转更快的新黑洞。如果这个新黑洞没有被踢出该环境，它可能再次与其他黑洞相遇、并合……经过多次这样的“宇宙贪吃蛇”游戏，最终形成了GW231123中观测到的极端系统。

这种“层级并合”假说既能解释异常大的质量，也能匹配极高的自旋速率，为理解这些宇宙怪物的起源提供了合理框架。

GW231123“连环碰撞”（重复并合）的艺术图，注：此为示意图，图中的数据并非完全真实。

最后瞬间：清晰的并合余音

GW231123不仅对于双黑洞的起源与演化有启示作用，还对现有的引力波模型的改进起到了积极的作用。对于大多数引力波事件，探测器对黑洞相互靠近的阶段最为敏感。但由于GW231123总质量巨大，科学家们能够异常清晰地“听”到并合后的“铃宕阶段”——这是新形成黑洞像被敲击的钟一样振动并逐渐稳定的过程。

对这一阶段信号的分析，不仅强有力地证实了并合产物确实是一个大质量黑洞，也将现有引力波模型推向了极限，暴露出当前理论在描述极高自旋黑洞时的不足，为未来改进波形模版指明了方向。

探索前瞻：重新认识宇宙的创造力

GW231123不仅仅是一个破纪录的发现，更是来自宇宙的重要信使，它告诉我们：

• 黑洞形成途径比想象中更多样——恒星直接塌缩并非唯一方式

  
  

• 中等质量黑洞确实可以通过黑洞并合形成——这为理解超大质量黑洞的起源提供了线索

  
  

• 极端密集环境是宇宙怪物的孵化场——如星团核心和活动星系核周围

  
  

随着全球更多引力波探测器的建设和升级，我们将能“听”到更多这样的宇宙交响乐，逐步揭开黑洞起源、星系演化乃至宇宙结构本身的奥秘。每一次新的探测，都在提醒我们：宇宙的创造力远超人类想象，而那些我们曾以为的“理论禁区”，可能正是宇宙最富戏剧性故事上演的舞台。

GW231123，这声来自宇宙深处的沉重心跳，将在科学界长久回响，激励我们以更开放的心态，去探索那个永不停息、充满惊喜的宇宙。