宇宙中“失落的世界”

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翻譯：葛文迪

校對：牧夫校對組

編排：陶邦惠

后臺：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

"現在，我們有越來越多的證據表明，宇宙創造合并黑洞的方式，除了來自大質量雙星系統之外，還有其他途徑。"

天文學家們發現了"黑金"——一個黑洞合并的寶庫。這一發現是通過分析時空（即空間與時間的統一體）中的漣漪，也就是引力波而實現的。

合并黑洞的示意圖，引力波探測到的合并黑洞質量。

圖片來源：羅伯特·李/LIGO-Kagra-VIRGO/亞倫·蓋勒/西北大學

這一大批合并事件包含在周二（5月26日）發布的引力波瞬變目錄5.0（GWTC-5）中，可能會改變我們對黑洞如何相遇和碰撞的理解。最新目錄包含了161個新的引力波信號，這些信號是由LIGO（激光干涉引力波天文臺）、Virgo和KAGRA（神岡引力波探測器）在2024年4月至2025年1月底之間"聽到"的合并黑洞發出的。

這使得通過引力波探測到的黑洞合并總數達到390個。

GWTC-5的亮點包括探測到"第二代合并"，即兩個在之前合并中形成的黑洞之間的碰撞，以及迄今定位最精確的合并事件。前者可能有助于我們更好地理解使黑洞增長到太陽質量數百萬甚至數十億倍的合并鏈；后者則可能有助于開發一種利用此類事件及其引力波信號來測量宇宙膨脹速率的方法。

"這次大規模的更新再次拓寬和深化了我們對宇宙的認識，讓我們更多地瞥見了它最難以捉摸的天體：碰撞中的黑洞，"引力波研究所的研究員丹尼爾·威廉姆斯在一份聲明中說。"我們現在探測到如此多的信號，以至于我們不僅僅是在了解個別碰撞；這相當于在天文學上發現了一個古代文明。

"今天的新發現就像找到了一個以前未被發現的寶藏，不僅揭示了個體的生命，還揭示了整個失落世界的結構。"

? 什么是引力波？

引力波最早于1915年作為阿爾伯特·愛因斯坦引力理論（即廣義相對論）的一部分被提出。廣義相對論認為，有質量的物體會導致時空（空間與時間的四維統一體）彎曲。引力源于這種彎曲，這意味著質量越大，時空的曲率越大，引力影響也越強。

廣義相對論更進一步提出，當物體在時空中加速時，它們會產生以光速向外輻射的漣漪：引力波。盡管愛因斯坦最初預測了時空的這種漣漪，但他在引力波的一個方面判斷錯了：他認為人類永遠無法探測到它們。

LIGO于2015年首次探測到引力波；該信號來自約13億光年外兩個大質量黑洞的碰撞和合并。此后，LIGO及其伙伴探測器Virgo和KAGRA探測到了許多黑洞對、超致密中子星對，甚至黑洞與中子星之間混合合并產生的引力波。

探測到的黑洞質量在圖表上的組織。

圖片來源：LIGO-Kagra-VIRGO/亞倫·蓋勒/西北大學

近年來，引力波探測器的靈敏度不斷提高，在觀測運行階段，目前探測頻率高達每周三到四次，而在停機期間則允許進一步提高靈敏度。

"就在10年前，我們首次探測到來自這類事件的引力波，而現在我們能夠探測和分析數百個這樣的事件，這確實證明了全球數百名科學家的工作，"威廉姆斯說。

? 引力波探測正在引起轟動

GWTC-5數據重要性的兩個令人印象深刻的證明是2024年10月11日和11月11日分別探測到的信號GW241011和GW241110。它們分別是7億光年和24億光年外兩次合并的結果，涉及黑洞的快速自旋以及自旋方向表明這四個黑洞都是第二代天體，即它們是由之前的合并形成的。

"這兩項觀測顯示出特征性跡象，表明每對中較大的黑洞并非直接由大質量恒星形成，而是由兩個黑洞之前的合并形成的，"引力波研究所的斯托姆·科洛姆斯在聲明中說。"由先前合并形成的黑洞的特征在整個群體中持續存在，表明GW241011和GW241110并非獨一無二的，而是追蹤了一種潛在趨勢?，F在，我們有越來越多的證據表明，宇宙創造合并黑洞的方式，除了來自大質量雙星系統之外，還有其他途徑。"

這表明這兩次合并發生在恒星密集的環境中，這將很難進行研究，因為將引力波信號定位回其起源點并不容易。但并非總是如此，正如2024年6月15日探測到的信號GW240615所證明的那樣。

兩個黑洞相互繞行、在最終碰撞前發射引力波的示意圖。

圖片來源：馬克·加利克/科學圖片庫/蓋蒂圖片社

GW240615是距離超過30億光年處一個26倍太陽質量的黑洞與一個30倍太陽質量的黑洞合并的結果，引力波天文學家能夠將GW240615定位到天空中僅6平方度的區域。這使得GW240615成為迄今定位最精確的引力波信號。

"更新的GWTC-5.0目錄為我們提供了更大規模的引力波信號集合，以幫助回答宇宙學中最大的問題之一：宇宙膨脹有多快？"引力波研究所的亞歷克斯·帕帕多普洛斯在聲明中說。"這種膨脹速率由一個稱為哈勃常數的值來描述。引力波使我們能夠通過估計合并天體的距離來測量這個值，要么直接從信號本身，要么通過確定合并發生的星系。

"每個事件只貢獻少量信息，因此這些額外的信號共同顯著改善了我們的結果。總之，這些改進幫助我們比以往任何時候都更精確地使用引力波測量哈勃常數，使我們更接近理解現代物理學中最重要的開放性問題之一。"

組成GWTC-5的引力波信號的可視化表示。

圖片來源：瑞安·諾維茨基/卡蘭·賈尼）

在最新目錄中同樣引人注目的是2025年1月14日探測到的引力波信號GW250114。這被認為是一個34倍太陽質量的黑洞與約10億光年外一個32倍太陽質量的黑洞碰撞和合并的結果。這個信號如此清晰，以至于研究人員能夠進行迄今最精確的廣義相對論檢驗，此外還證實了斯蒂芬·霍金提出的一個概念，稱為黑洞面積定理。

"借助GW250114的清晰度，我們能夠比較黑洞合并前后的彎曲時空，發現事件視界（黑洞捕獲光線的最外層邊界）的總面積按照霍金黑洞力學定律增加了，"格拉斯哥大學的約翰·維奇在聲明中說。"合并后，最終的黑洞像鐘一樣鳴響，發出引力波而非聲音。分析這些波證實，盡管在合并過程中引力波會釋放能量，但黑洞的總熵按照熱力學第二定律增加。

"這表明即使對于黑洞，熱力學定律仍然適用，但與普通物體不同的是，它們持有的能量越多，溫度就越低。"

LIGO、Virgo和KAGRA很可能會繼續做出重新定義我們對宇宙及其最劇烈事件理解的引力波發現。這些探測器計劃在今年晚些時候開始為期六個月的中期觀測運行（IR1）。這將彌合第四觀測運行（于2025年11月18日結束）與第五觀測運行（將在2028年至2031年之間進行）之間的差距。

引力波的未來是光明的——或者應該說"響亮"？

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

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圖片來源：Patrick A.Cosgrove