打破紀(jì)錄，超越理論？人類在601天前的引力波信號(hào)中究竟發(fā)現(xiàn)了什么

在近日舉行的一場(chǎng)以廣義相對(duì)論及引力波為主題的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議[1]上， LIGO-Virgo-KAGRA三大引力波研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合宣布捕捉到了一次迄今已知質(zhì)量最大的雙黑洞合并事件GW231123，兩顆黑洞合并前的總質(zhì)量達(dá)到了190~265倍太陽(yáng)質(zhì)量，合并后的新黑洞質(zhì)量則超過(guò)200倍（182~251）太陽(yáng)質(zhì)量。相關(guān)論文最早于7月10日上傳到預(yù)印本網(wǎng)站，最新版本的修改日期為7月14日[2]。

位于華盛頓州漢福德（左）和路易斯安那州利文斯頓的 LIGO 雙探測(cè)器︱LIGO Lab/Caltech/MIT

自2015年首次探測(cè)到引力波（GW150914）到GW231123，人類已累計(jì)確認(rèn)了70起由雙黑洞合并引起的引力波事件。在GW231123以前質(zhì)量最大的雙黑洞合并事件是GW190521，兩顆黑洞合并后產(chǎn)生了一個(gè)約140倍太陽(yáng)質(zhì)量的新黑洞。

GW190521事件合并的新黑洞也是人類歷史上首次明確探測(cè)到中等質(zhì)量黑洞（＞100倍太陽(yáng)質(zhì)量）︱LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）

GW231123除了打破了GW190521保持的黑洞合并質(zhì)量記錄，參與合并事件的兩顆黑洞的自旋情況也相當(dāng)特殊：兩者的自旋參數(shù)（0.9/0.8）都逼近了理論上限（上限為1），極高的自旋使得學(xué)者在通過(guò)引力波信號(hào)推算黑洞的質(zhì)量、方位以及距離時(shí)有更高的不確定度。而這種不確定性也間接導(dǎo)致兩顆黑洞觸碰到了現(xiàn)有黑洞理論的一個(gè)「禁區(qū)」。

GW231123的各項(xiàng)屬性︱參考文獻(xiàn)[2]

黑洞可以根據(jù)其質(zhì)量大小劃分為三類：恒星質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞，其中恒星質(zhì)量黑洞的形成與大質(zhì)量恒星的演化密切相關(guān)。對(duì)于質(zhì)量在100~250倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，在演化末期要么會(huì)經(jīng)歷不少于一次質(zhì)量拋射使得質(zhì)量下降到100倍太陽(yáng)質(zhì)量以內(nèi)繼續(xù)演化為一般的Ⅱ型超新星，要么會(huì)直接形成「對(duì)不穩(wěn)定超新星」[3]，這類超新星爆發(fā)后不留下任何殘骸。

在130~250倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星核心，伽馬射線與原子核作用生成電子-正電子對(duì)，導(dǎo)致輻射壓下降，引力占經(jīng)主導(dǎo)，進(jìn)而引發(fā)失控核反應(yīng)，形成「對(duì)不穩(wěn)定超新星」︱NASA/CXC/M. Weiss

這種恒星演化機(jī)制會(huì)導(dǎo)致理論上黑洞的質(zhì)量分布在60~130倍太陽(yáng)質(zhì)量的區(qū)間出現(xiàn)空白（下稱「質(zhì)量間隙」）。目前我們發(fā)現(xiàn)的黑洞中，除去已知的由于雙黑洞合并產(chǎn)生的黑洞，剩余黑洞的質(zhì)量分布基本符合這一結(jié)論。

目前人類已知的黑洞與中子星的質(zhì)量分布︱LIGO-Virgo/ Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller

對(duì)于GW231123而言，質(zhì)量更大的主黑洞大于130倍太陽(yáng)質(zhì)量的概率是74%，落在質(zhì)量間隙的概率是26%。而次黑洞落在質(zhì)量間隙的概率達(dá)到了83%。有四分之一的概率兩顆黑洞同時(shí)位于質(zhì)量間隙，主黑洞超過(guò)130倍太陽(yáng)質(zhì)量而次黑洞落在質(zhì)量間隙的概率則接近60%（58 %），換句話說(shuō)至少有一顆黑洞落在質(zhì)量間隙的概率超過(guò)80%。

已知黑洞的質(zhì)量大多分布在60倍太陽(yáng)質(zhì)量以內(nèi)（藍(lán)線）︱Simona J. Miller/Caltech; adapted by J. Hirshfeld

按照現(xiàn)有恒星演化理論，有必要討論GW231123兩顆前身黑洞闖入「質(zhì)量間隙」的原因。一個(gè)最直接的解釋是兩顆前身黑洞是由更小質(zhì)量的黑洞合并而來(lái)，論文進(jìn)一步推測(cè)合成前身黑洞的黑洞之中至少有一員也位處質(zhì)量間隙。這種滾雪球式的黑洞合并過(guò)程需要在一個(gè)高逃逸速度的環(huán)境下才能出現(xiàn)，否則就要通過(guò)其他天體物理過(guò)程如不斷吸積恒星來(lái)實(shí)現(xiàn)黑洞質(zhì)量增加的目的。實(shí)際上GW190521中的主黑洞質(zhì)量也落在了質(zhì)量間隙（質(zhì)量大于65倍太陽(yáng)質(zhì)量的置信度為99%[4]），這表明GW190521可能也有類似的演化歷程。

一般認(rèn)為GW190521是質(zhì)量分別為66倍和85倍太陽(yáng)質(zhì)量的雙黑洞合并事件，最終生成142倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞︱LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）

不過(guò)論文作者也對(duì)其他可能性持開放態(tài)度，包括雙黑洞合并時(shí)軌道偏心率的影響，引力透鏡效應(yīng)，乃至非雙黑洞合并的其他天體物理事件，如宇宙弦坍縮、奇異致密天體（如玻色子星）碰撞等。

一圖讀懂GW231123︱Simona J. Miller/Caltech

參考&拓展

[1]https://www.iop.org/events/24th-international-conference-general-relativity-and-gravitation-16th-edoardo-amaldi

[2]https://arxiv.org/pdf/2507.08219

[3]對(duì)不穩(wěn)定超新星：由于高能γ光子和原子核碰撞產(chǎn)生電子和正電子，導(dǎo)致恒星熱壓力下降，引發(fā)超新星爆發(fā)。2009年10月的《自然》雜志刊登了第一個(gè)此類超新星的觀測(cè)證據(jù)和相關(guān)分析。 https://nadc.china-vo.org/astrodict/termdetails?id=19993

[4]https://arxiv.org/pdf/2010.14527

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