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(xiàn)在，我們有越來越多的證據(jù)表明，宇宙創(chuàng)造合并黑洞的方式，除了來自大質(zhì)量雙星系統(tǒng)之外，還有其他途徑。"

天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了"黑金"——一個黑洞合并的寶庫。這一發(fā)現(xiàn)是通過分析時空（即空間與時間的統(tǒng)一體）中的漣漪，也就是引力波而實現(xiàn)的。

合并黑洞的示意圖，引力波探測到的合并黑洞質(zhì)量。

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

這一大批合并事件包含在周二（5月26日）發(fā)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(fā)出的。

這使得通過引力波探測到的黑洞合并總數(shù)達(dá)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(zhì)量數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍的合并鏈；后者則可能有助于開發(fā)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(guī)模的更新再次拓寬和深化了我們對宇宙的認(rèn)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(xiàn)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(dāng)于在天文學(xué)上發(fā)現(xiàn)了一個古代文明。

"今天的新發(fā)現(xiàn)就像找到了一個以前未被發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。"

? 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(rèn)為，有質(zhì)量的物體會導(dǎo)致時空（空間與時間的四維統(tǒng)一體）彎曲。引力源于這種彎曲，這意味著質(zhì)量越大，時空的曲率越大，引力影響也越強。

廣義相對論更進(jìn)一步提出，當(dāng)物體在時空中加速時，它們會產(chǎn)生以光速向外輻射的漣漪：引力波。盡管愛因斯坦最初預(yù)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(rèn)為人類永遠(yuǎn)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(zhì)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(chǎn)生的引力波。

探測到的黑洞質(zhì)量在圖表上的組織。

圖片來源：LIGO-Kagra-VIRGO/亞倫·蓋勒/西北大學(xué)

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(dá)每周三到四次，而在停機(jī)期間則允許進(jìn)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(xiàn)在我們能夠探測和分析數(shù)百個這樣的事件，這確實證明了全球數(shù)百名科學(xué)家的工作，"威廉姆斯說。

? 引力波探測正在引起轟動

GWTC-5數(shù)據(jù)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(jié)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(zhì)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(xù)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。現(xiàn)在，我們有越來越多的證據(jù)表明，宇宙創(chuàng)造合并黑洞的方式，除了來自大質(zhì)量雙星系統(tǒng)之外，還有其他途徑。"

這表明這兩次合并發(fā)生在恒星密集的環(huán)境中，這將很難進(jìn)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(fā)射引力波的示意圖。

圖片來源：馬克·加利克/科學(xué)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(zhì)量的黑洞與一個30倍太陽質(zhì)量的黑洞合并的結(jié)果，引力波天文學(xué)家能夠?qū)W240615定位到天空中僅6平方度的區(qū)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(guī)模的引力波信號集合，以幫助回答宇宙學(xué)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(shù)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(fā)生的星系。

"每個事件只貢獻(xiàn)少量信息，因此這些額外的信號共同顯著改善了我們的結(jié)果。總之，這些改進(jìn)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(shù)，使我們更接近理解現(xiàn)代物理學(xué)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(rèn)為是一個34倍太陽質(zhì)量的黑洞與約10億光年外一個32倍太陽質(zhì)量的黑洞碰撞和合并的結(jié)果。這個信號如此清晰，以至于研究人員能夠進(jìn)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(fā)現(xiàn)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(xué)定律增加了，"格拉斯哥大學(xué)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(fā)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(xué)第二定律增加。

"這表明即使對于黑洞，熱力學(xué)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(xù)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(fā)現(xiàn)。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(jié)束）與第五觀測運行（將在2028年至2031年之間進(jìn)行）之間的差距。

引力波的未來是光明的——或者應(yīng)該說"響亮"？

責(zé)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