科学家们检测到两次“不可能”的黑洞碰撞——而且它们旋转的方向是错误的

双黑洞合并。图片来源：Carl Knox，OzGrav，斯威本科技大学

（蜘蛛网eeook.com）据今日科学新闻：在宇宙的沉默结构中，有些时刻是如此灾难性，以至于它们在现实本身的结构中激起涟漪。这些涟漪——引力波——在时空中传播，就像振动穿过浩瀚的、看不见的海洋一样。2024 年底，这样的波再次到达地球，带着数亿年前发生的两次非凡宇宙事件的回声。

在发表在《天体物理学杂志快报》上的一篇具有里程碑意义的论文中，国际 LIGO-Virgo-KAGRA 合作组织宣布检测到了 2024 年 10 月和 11 月观测到的两次引力波事件。这些不是黑洞合并产生的普通信号——它们揭示了黑洞以科学家以前从未见过的方式旋转。一个以惊人的速度旋转，而另一个则逆其轨道方向旋转。这些奇特性不仅引起了天文学家的兴趣，还引起了天文学家的兴趣。它们动摇了我们自以为了解黑洞如何诞生和演化的基础。

这两个事件中的第一个被命名为 GW241011，于 2024 年 10 月 11 日被检测到。该信号来自大约 7 亿光年外的区域，那里有两个黑洞——一个质量约为太阳质量的 17 倍，另一个大约是太阳质量的 7 倍——发生了碰撞。这一事件的非凡之处不仅在于它的距离或清晰度，还在于较大黑洞自转的速度。事实证明，它是迄今为止探测到的旋转速度最快的黑洞之一。

双黑洞合并。图片来源：Carl Knox，OzGrav，斯威本科技大学

仅仅一个月后，即 2024 年 11 月 10 日，记录了第二个事件——GW241110。这次合并发生在大约 24 亿光年之外，涉及大约 16 个太阳质量和 8 个太阳质量的黑洞。在这里，更令人惊讶的是：主黑洞的旋转方向与双星系统的轨道运动相反。换句话说，当两个黑洞在碰撞前相互跳舞时，一个黑洞正在向后旋转——这是以前从未直接观察到的现象。

这种配置违背了传统二元形成模型所预测的整洁模式。它暗示了一个混乱、密集的环境——也许是星团或星系核——黑洞在那里诞生、合并、再合并。

要了解这些发现的规模，首先必须了解什么是引力波。它们最初是由阿尔伯特·爱因斯坦于 1916 年根据他的广义相对论预测的。根据爱因斯坦的说法，大质量加速物体（例如绕轨道运行的黑洞或中子星）会扭曲时空，产生以光速向外传播的波。

然而，爱因斯坦预言的涟漪是如此微弱，以至于他怀疑人类是否会发现它们。经过一个世纪的技术进步，这种情况才改变。2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）通过探测到黑洞合并产生的引力波创造了历史，证实了爱因斯坦百年前的预言。

从那时起，LIGO 与其欧洲合作伙伴 Virgo 和日本天文台 KAGRA 一起记录了数百次此类事件。每一次探测都为日益增长的宇宙知识交响乐增添了音符，使科学家能够重建黑洞碰撞前的最后时刻——以及黑洞本身的性质。

当两个黑洞相互盘旋时，它们会如此剧烈地扭曲周围的时空，以至于它们的能量以引力波的形式向外辐射。这些波携带有关系统最私密特性的编码信息：黑洞的质量、自旋、距离，甚至其轨道角度。

研究人员使用先进的算法和数学模型来解码这些信息。来自GW241011和GW241110的波揭示了质量不等的系统——其中较大的黑洞大约是它们伙伴的两倍——而且有趣的是，它们正在快速旋转。这些自旋的方向和大小非常不寻常，以至于科学家们开始怀疑它们可能不是第一代黑洞，而是第二代黑洞——由早期合并的残余物形成。

双黑洞合并。图片来源：Carl Knox，OzGrav，斯威本科技大学

正如 LIGO 科学合作组织发言人、卡迪夫大学的斯蒂芬·费尔赫斯特教授所解释的那样，“由于这两个事件的一个黑洞质量明显大于另一个黑洞，旋转速度更快，它们提供了诱人的证据，证明这些黑洞是由之前的黑洞合并形成的。

在宇宙荒野中，大多数黑洞都是在大质量恒星在自身引力作用下死亡和坍缩时诞生的。但在充满恒星和恒星残余物的区域（例如球状星团或星系核心），黑洞可以多次相互作用、碰撞和合并。这个过程被称为分层合并，会产生新的黑洞，这些黑洞比它们的祖先更重，而且旋转速度通常更快。

这样的环境充当了天体的温床，黑洞不是孤独存在，而是存在于繁华的引力生态系统中。GW241011和GW241110的特殊特征——质量不相等、极端自旋和罕见的反向旋转——完全符合这种情况。

处女座合作组织发言人吉安卢卡·杰姆 （Gianluca Gemme） 表示，“观察到的不寻常的自旋构型不仅挑战了我们对黑洞形成的理解，而且还为密集宇宙环境中的分层合并提供了令人信服的证据。它们告诉我们，一些黑洞不仅作为孤立的伙伴存在，而且可能作为密集而充满活力的人群中的一员存在。

因此，这些发现为了解宇宙栖息地提供了一个窗口，黑洞不是沉默和孤独的，而是社会性的和碰撞的——不断重塑宇宙的引力景观。

除了揭开新的天体物理学奥秘之外，这些事件还提供了一个难得的机会来测试物理学的基础。

来自GW241011的引力波以非凡的精度记录，使研究人员能够将数据与爱因斯坦的广义相对论和克尔解进行比较，克尔解是新西兰数学家罗伊·克尔 （Roy Kerr） 于 1963 年首次提出的对旋转黑洞的数学描述。

根据克尔模型，旋转黑洞的形状在其两极略微变平，在赤道处凸起——这种微妙的变形在其发出的引力波上留下了明显的印记。当研究人员分析GW241011时，他们发现观察到的信号与克尔的理论预测之间非常匹配。爱因斯坦对宇宙的看法——弯曲的、动态的和一致的——再次取得了胜利。

但精度更进一步。由于两个合并的黑洞的质量截然不同，因此由此产生的引力波包括微弱的高谐波，类似于音乐泛音。这些谐波在历史上只被检测到过几次，GW241011它们以惊人的清晰度出现。这证实了爱因斯坦方程组的又一次预测，表明即使在最极端的宇宙暴力下，相对论定律也成立。

正如内华达大学拉斯维加斯分校的天体物理学家卡尔-约翰·哈斯特所指出的那样，“每一次新的探测既是天体物理学的发现，也是探究物理基本定律的宝贵实验室。

使这些发现更加有趣的是它们与粒子物理学的潜在联系。快速旋转的黑洞可以用作称为超轻玻色子的假设粒子的天然探测器。这些粒子是由超出标准模型的理论预测的，可以以微妙的方式与黑洞相互作用，从黑洞的旋转中提取能量。

如果存在这样的粒子，它们将在宇宙时间尺度上逐渐减慢黑洞的自旋速度。然而，观察到GW241011中较大的黑洞即使在数百万或数十亿年后仍继续快速旋转，这意味着某些质量的超轻玻色子不可能存在——这缩小了粒子物理学家寻找暗物质候选者的范围。

因此，GW241011黑洞和GW241110黑洞不仅是天体物理现象，也是基础物理学的宇宙实验室，能够测试任何人类实验都无法在地球上复制的理论。

每一次引力波探测的背后，都隐藏着一个关于国际合作和技术辉煌的非凡故事。LIGO-Virgo-KAGRA 网络由多个天文台组成，其中两个位于美国 （LIGO），一个位于意大利 （Virgo），一个位于日本 （KAGRA），它们完美同步运行。

每个设施都使用激光干涉测量法，这是一种非常灵敏的技术，可以检测小于质子宽度的时空畸变。当引力波穿过地球时，它会微妙地改变相距数公里的悬浮镜之间的距离，从而在激光束中产生干涉图案，可以分析该图案以提取信号。

自 2023 年 5 月开始第四次观测运行 （O4） 以来，该网络已经记录了数百次黑洞合并，每一次都是了解宇宙隐藏机制的新窗口。GW241011和GW241110的探测标志着这项运动最重要的里程碑之一——证明随着探测器变得越来越敏感，它们揭示了宇宙行为的更复杂的细节。

正如罗马第一大学的弗朗切斯科·潘纳拉莱（Francesco Pannarale）所解释的那样，“LIGO和处女座仪器教会了我们更多关于黑洞双星如何在我们的宇宙中形成，以及从本质上调节它们的基本物理学。通过升级我们的仪器，我们将能够更精确地深入研究这些方面和其他方面。

GW241011和GW241110的探测提醒我们，宇宙仍然蕴藏着巨大的未知奥秘。每一次引力波事件不仅仅是来自过去的信号，它还是来自时空最深处的信使，承载着创造、进化和毁灭的秘密。

通过观察合并黑洞的自旋和质量，科学家可以追溯它们的祖先，了解它们的环境，并检验我们物理理论的边界。第二代黑洞的存在表明，一些宇宙区域的活力远比我们曾经想象的要强得多，是这些引力泰坦不断重生的苗圃。

同时，这些事件使我们能够检验爱因斯坦的理论是否仍然普遍有效，或者在极端条件下是否会出现裂缝——裂缝可能会揭示相对论之外的新物理学。

最终，像GW241011和GW241110这样的发现超越了数学和仪器的语言。它们与一些深刻的人性事物交谈——渴望理解未知，倾听宇宙最微弱的低语，并在其广阔、无声的美丽中寻找意义。

到达地球的每一个引力波不仅携带有关遥远恒星和黑洞的信息，还传递着关于我们自己的信息：我们的物种与一颗蓝色小行星相连，已经找到了一种聆听宇宙音乐的方法。

随着我们不断改进探测器并推动科学前沿，一个真理始终不变。宇宙不是沉默的。它哼唱、振动、唱歌——通过物理学，我们终于学会了倾听。

用一个多世纪前预见到这些波浪的爱因斯坦的话来说，“宇宙最难以理解的事情就是它是可以理解的。随着我们检测到的每一次引力波，我们都会对我们称之为家园的广阔而神秘的宇宙有了更多的了解，并更加好奇。

更多信息：GW241011与GW241110：用不对称、高自旋黑洞聚聚探索双星形成和基础物理学，天体物理学杂志快报（2025 年）。DOI：10.3847/2041-8213/ae0d54