物理学家探测到有史以来规模最大的黑洞合并事件。这一发现对人们理解这类天体在宇宙中的成长方式具有重大意义。相关研究结果7月10日公布于arXiv预印本服务器，并于7月14日在英国格拉斯哥举行的GR-Amaldi 引力波会议上进行了展示。

两个黑洞合并的艺术想象图。图片来源：Victor de Schwanberg/SPL

  ?

这一发现是由美国激光干涉引力波天文台（LIGO）完成的，包括两台探测器。LIGO通过向L形长臂发射激光来探测引力波。臂长的微小变化揭示了引力波穿过地球的痕迹。引力波是时空的涟漪，由大质量天体的加速运动引起，比如两个相互绕转的黑洞或中子星合并时就会产生引力波。

自2015年LIGO首次探测到引力波以来，科学家已经观察到数百次这样的合并事件。但2023年11月探测到的这个名为GW231123的最新事件是迄今规模最大的。通过对LIGO探测到的信号进行建模，科学家计算出GW231123事件是由两个质量分别约为太阳100倍和140倍的黑洞合并引起的，合并后形成的最终黑洞质量约为太阳的225倍。

“这是迄今质量最大的合并事件，比之前的纪录保持者约大了50%。”LVK合作组织成员、英国卡迪夫大学的Mark Hannam说。该组织是一个引力波探测器网络，包括LIGO、意大利的Virgo和日本的KAGRA。

LIGO捕捉到的大多数事件都涉及恒星级黑洞，即质量为太阳几倍到100倍的黑洞，它们被认为是在大质量恒星以超新星形式终结生命时形成的。然而，参与GW231123事件的两个黑洞处于或接近一个预测的质量范围——60至130倍太阳质量，在这个范围内，上述形成过程被认为是行不通的，理论反而预测这些恒星应该会被吹散。“所以它们很可能不是通过这种常规机制形成的。”Hannam说。

相反，这两个黑洞可能是由更早的合并事件形成的，即大质量天体的层级合并，最终产生LIGO探测到的GW231123事件。据估计，该事件发生在距离地球0.7亿至41亿秒差距（23亿至134亿光年）处。

“这如同四个祖父母合并成两个父母，再合并成一个婴儿黑洞。”LVK合作组织成员、美国加州理工学院的Alan Weinstein说。

对这些黑洞的模型研究还表明，它们的旋转速度极快，约每秒40次，接近爱因斯坦广义相对论预测的黑洞保持稳定所能达到的极限。“它们的旋转速度非常接近被允许的最大旋转速度。”Weinstein说。

黑洞的旋转速度和质量都可以为了解黑洞的成长方式提供线索。天文学最大的问题之一是，像银河系中心那些超大质量黑洞是如何在早期宇宙中形成的。尽管有大量证据表明存在恒星级黑洞和超大质量黑洞，后者为质量超过太阳100万倍的黑洞，但质量在100至10万倍太阳质量之间的中等质量黑洞却更难被发现。

最新的探测结果可能告诉我们，“这些中等质量黑洞在星系演化中发挥着作用”。Hannam说，这可能是通过层级合并实现的，层级合并既可以增加最终黑洞的旋转速度，也可以增加其质量。“我们正一点一点列出宇宙中存在的黑洞种类清单。”

而此时，美国用于引力波探测的资金正面临大幅削减。美国特朗普政府提议削减美国国家科学基金会的资金，后者负责管理LIGO。根据该提议，LIGO的两个引力波探测器中的一个将被关闭。

Hannam说，在2023年11月探测到这一事件时，Virgo和KAGRA均未运行。如果没有两台探测器，科学家就无法确定是否真的探测到两个合并的黑洞。“正因为有两台，我们在同一时间看到了相同的信号。”

如果未来几年能够升级LIGO，并在全球范围内新增探测器，可能会极大提高物理学家在引力波研究方面的能力，而引力波研究仍是天文学中一个尚处于起步阶段的领域。

相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.08219