在宇宙的深邃舞臺(tái)上，一場(chǎng)前所未有的黑洞合并大戲震撼上演，其壯觀程度令科學(xué)界為之驚嘆。2023年，位于美國(guó)華盛頓州漢福德與路易斯安那州利文斯頓的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）幾乎同時(shí)捕捉到了一個(gè)非凡的信號(hào)——GW231123，這一引力波信號(hào)源自迄今為止人類探測(cè)到的最大質(zhì)量黑洞合并事件。
這次合并事件的主角是兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量分別相當(dāng)于103倍和137倍的太陽(yáng)質(zhì)量，合并后形成了一個(gè)重達(dá)225倍太陽(yáng)質(zhì)量的新黑洞，這一數(shù)字刷新了引力波天文學(xué)的歷史記錄。這場(chǎng)宇宙級(jí)的“碰撞”不僅產(chǎn)生了巨大的能量，約有15個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)在合并過(guò)程中被轉(zhuǎn)化為純粹的能量，以引力波的形式向宇宙四方傳播，最終在距離地球約20億至130億光年的遙遠(yuǎn)距離上被LIGO的雙子探測(cè)器精準(zhǔn)捕獲。
GW231123的發(fā)現(xiàn)給現(xiàn)有的恒星演化理論帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)恒星演化的標(biāo)準(zhǔn)模型，質(zhì)量超過(guò)140倍太陽(yáng)的恒星在生命末期會(huì)發(fā)生劇烈的對(duì)不穩(wěn)定超新星爆發(fā)，這種爆發(fā)足以摧毀恒星核心，使其無(wú)法留下任何黑洞。因此，在60到130倍太陽(yáng)質(zhì)量之間形成了一個(gè)所謂的“質(zhì)量空隙”，在這個(gè)范圍內(nèi)的黑洞應(yīng)該極為罕見(jiàn)。然而，GW231123中的黑洞質(zhì)量卻恰好落在了這個(gè)“禁區(qū)”內(nèi)或其邊緣，這讓科學(xué)家們不得不重新審視黑洞的形成機(jī)制。
除了質(zhì)量驚人，這兩個(gè)黑洞的自旋特征也極為罕見(jiàn)。它們以接近廣義相對(duì)論理論極限的速度旋轉(zhuǎn)，自旋參數(shù)分別達(dá)到0.9和0.8，這種極高的自旋速度為科學(xué)家們提供了探索其形成機(jī)制的關(guān)鍵線索。科學(xué)家們推測(cè)，這兩個(gè)黑洞很可能是早期較小黑洞經(jīng)過(guò)多次合并后逐步增長(zhǎng)形成的，這種層級(jí)合并的過(guò)程使得黑洞的質(zhì)量和自旋速度不斷增加，最終形成了觀測(cè)到的極端天體。
GW231123的成功探測(cè)不僅展示了LIGO探測(cè)器的強(qiáng)大能力，也標(biāo)志著引力波探測(cè)技術(shù)達(dá)到了新的高度。這次探測(cè)將引力波探測(cè)技術(shù)和理論模型推向了極限，科學(xué)家們需要使用最先進(jìn)的理論模型來(lái)解析這一復(fù)雜信號(hào)。雖然引力波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間僅有十分之一秒，但這短暫的瞬間卻包含了關(guān)于黑洞質(zhì)量、自旋、距離等關(guān)鍵物理參數(shù)的重要信息。
自2015年LIGO首次直接探測(cè)到引力波以來(lái)，該領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展。如今，LIGO已經(jīng)與意大利的Virgo探測(cè)器和日本的KAGRA探測(cè)器形成了全球協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，大大提升了探測(cè)能力。在2023年5月開始的第四次觀測(cè)運(yùn)行中，這個(gè)國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)探測(cè)到超過(guò)200個(gè)黑洞合并候選事件，累計(jì)探測(cè)數(shù)量更是突破了300個(gè)。GW231123這樣的稀有事件能夠成功被探測(cè)和分析，正是得益于探測(cè)能力的大幅提升。
GW231123的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解中等質(zhì)量黑洞的形成具有重要意義。在宇宙中，天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到大量的恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞，但中等質(zhì)量黑洞一直相對(duì)難以發(fā)現(xiàn)。GW231123表明，質(zhì)量約200倍太陽(yáng)的中等質(zhì)量黑洞確實(shí)可以通過(guò)引力波驅(qū)動(dòng)的合并過(guò)程形成。這類黑洞可能在星系演化中扮演著重要角色，通過(guò)層級(jí)合并的方式不斷增長(zhǎng)，最終可能發(fā)展成為星系中心的超大質(zhì)量黑洞。
GW231123的復(fù)雜特征也對(duì)科學(xué)界提出了更高的要求。不同信號(hào)模型在推斷參數(shù)方面存在差異，表明該事件的某些性質(zhì)存在較大的系統(tǒng)性不確定性?？茖W(xué)家們正在努力改進(jìn)用于解釋此類極端事件的模型，以更好地理解宇宙中最極端的物理過(guò)程。GW231123的詳細(xì)分析結(jié)果已在英國(guó)格拉斯哥舉行的第24屆國(guó)際廣義相對(duì)論與引力會(huì)議暨第16屆Edoardo Amaldi引力波會(huì)議上發(fā)布，并通過(guò)引力波開放科學(xué)中心向全球研究人員開放，供進(jìn)一步分析和研究。
