2016 年，LIGO 首次探測(cè)到黑洞碰撞事件后，發(fā)布了兩個(gè)黑洞碰撞的計(jì)算機(jī)模擬圖像。（圖片來源：LIGO）

在距離地球百億光年的遙遠(yuǎn)宇宙深處，一場(chǎng)幾乎無法想象的天體劇變悄然上演：兩個(gè)巨大黑洞，在沉默中彼此吸引、圍繞、加速，最終撞擊融合，化為一個(gè)更大的“終極黑洞”。

這一合并產(chǎn)生的空間震動(dòng)——引力波——經(jīng)過漫長(zhǎng)旅程，最終在2023年11月23日抵達(dá)地球，輕輕地扯動(dòng)了LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）的探測(cè)臂。關(guān)于該事件的研究成果于2025年7月14日在英國(guó)格拉斯哥舉行的GR-Amaldi引力波會(huì)議上向世界展示。

“GW231123”事件信息圖（圖片來源：加州理工學(xué)院）

這起被命名為“GW231123”的事件，被證實(shí)為迄今人類觀測(cè)到的最“重量級(jí)”的黑洞合并。但對(duì)于科學(xué)家而言，它遠(yuǎn)不止是刷新紀(jì)錄那么簡(jiǎn)單。它像一位神秘的信使，帶來了一個(gè)顛覆現(xiàn)有認(rèn)知的謎題，迫使我們重新審視宇宙中最極端天體的“家譜”。

一對(duì)“來歷不明”的重量級(jí)選手

讓科學(xué)家們既興奮又困惑的，是這對(duì)“新人”的身份。根據(jù)LIGO捕捉到的信號(hào)分析，參與合并的兩個(gè)黑洞，一個(gè)質(zhì)量約為太陽的137倍，另一個(gè)約為太陽的103倍。這兩個(gè)數(shù)字，精準(zhǔn)地踩在了理論物理學(xué)家劃定的“黑洞質(zhì)量禁區(qū)”（Pair-Instability Mass Gap）之內(nèi)。

當(dāng)一顆恒星質(zhì)量非常大時(shí)，它的核心會(huì)產(chǎn)生大量的伽馬射線，以至于部分輻射能量會(huì)轉(zhuǎn)化為粒子和反粒子對(duì)。由此產(chǎn)生的能量下降導(dǎo)致恒星在自身巨大引力的作用下坍縮。劇烈坍縮之后，失控的熱核反應(yīng)（圖中未顯示）隨之而來，恒星爆炸，將殘余物噴射到太空中。（圖片來源：維基百科）

通常，當(dāng)一顆質(zhì)量巨大的恒星燃盡其生命，它會(huì)在自身引力的作用下坍縮，引發(fā)一場(chǎng)壯麗的超新星爆發(fā)，其核心則會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞，將自己濃縮成一個(gè)無限致密的點(diǎn)。然而，理論模型告訴我們，當(dāng)恒星的質(zhì)量大到一定程度，恰好在約60至130倍太陽質(zhì)量的范圍內(nèi)時(shí)，它的“死亡之舞”會(huì)變得異常慘烈。

在這個(gè)質(zhì)量區(qū)間的恒星，其核心會(huì)產(chǎn)生大量的正負(fù)電子對(duì)，導(dǎo)致內(nèi)部壓力驟降，引發(fā)失控的核聚變爆炸。這種被稱為“對(duì)不穩(wěn)定超新星”（Pair-instability Supernova）的特殊過程，會(huì)把整個(gè)恒星炸得粉身碎骨，不留下任何殘骸，更別提形成黑洞了。因此，這片質(zhì)量區(qū)間被認(rèn)為是黑洞的“無人區(qū)”。而GW231123的兩個(gè)主角，卻“明知故犯”地闖了進(jìn)來，這讓科學(xué)家們不得不追問：它們究竟是從哪兒來的？

宇宙“套娃”：黑洞的等級(jí)合并假說

最主流的解釋，聽起來就像一個(gè)宇宙版的“俄羅斯套娃”故事——等級(jí)合并（Hierarchical Merger）假說。根據(jù)該理論，我們看到的這兩個(gè)巨型黑洞，本身就不是第一代。它們很可能是先前更小的黑洞合并后產(chǎn)生的第二代甚至第N代。

（圖片來源：COSMOS）

這就像是四個(gè)“祖父母輩”的小黑洞，先兩兩合并，變成了兩個(gè)“父母輩”的中等黑洞，然后這兩個(gè)“父母”再次合并，最終生下了我們今天看到的這個(gè)“黑洞寶寶”。

這次的發(fā)現(xiàn)，為這個(gè)假說提供了迄今最強(qiáng)的證據(jù)。首先是它們的極速自旋。模型顯示，這兩個(gè)黑洞在合并前的自旋速度分別達(dá)到了物理學(xué)極限的90%和80%左右。這如同兩位花樣滑冰選手，在旋轉(zhuǎn)中不斷將對(duì)方拉近，速度越來越快。當(dāng)兩個(gè)黑洞合并時(shí)，它們的角動(dòng)量會(huì)疊加，使得新生的黑洞轉(zhuǎn)得更快。一次次的合并，就像給陀螺不斷加速，最終將自旋速度推向了理論的巔峰。而我們觀測(cè)到的大多數(shù)由恒星直接形成的黑洞，自旋速度通常要慢得多。

超大質(zhì)量黑洞從吸積盤中吸積的概念圖。（圖片來源：NASA）

其次，這一發(fā)現(xiàn)為解開另一個(gè)宇宙終極謎題——超大質(zhì)量黑洞的起源——提供了關(guān)鍵線索。我們知道，幾乎每個(gè)星系的中心都潛伏著一個(gè)質(zhì)量達(dá)太陽數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞。但它們是如何在宇宙早期迅速“長(zhǎng)大”的？天文學(xué)家一直在尋找介于恒星級(jí)和超大質(zhì)量級(jí)之間的“中等質(zhì)量黑洞”（Intermediate-Mass Black Holes），它們被認(rèn)為是超大質(zhì)量黑洞成長(zhǎng)的“種子”或“基石”。而GW231123的產(chǎn)物，一個(gè)225倍太陽質(zhì)量的黑洞，正是一個(gè)寶貴的“中等質(zhì)量黑洞”樣本。

聆聽宇宙的低語

LIGO 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)著兩個(gè)探測(cè)器站點(diǎn)，一個(gè)位于華盛頓州東部的漢福德附近（左），另一個(gè)位于路易斯安那州利文斯頓附近（右）。（圖片來源：維基百科）

能夠“聽”到這場(chǎng)遙遠(yuǎn)的宇宙之舞，全靠LIGO這樣的引力波探測(cè)器。它們通過測(cè)量激光束在數(shù)公里長(zhǎng)的“L”形手臂中傳播時(shí)間的微小變化，來感知引力波引起的比原子核還小數(shù)千倍的時(shí)空拉伸。這無疑是人類有史以來最精密的測(cè)量?jī)x器。

史上首張拍攝合成的黑洞影像（圖片來源：NASA）

然而，這次的信號(hào)也給科學(xué)家們帶來了幸福的煩惱。因?yàn)樗珮O端了——質(zhì)量大、自旋快，導(dǎo)致現(xiàn)有的引力波信號(hào)模型在分析時(shí)遇到了困難。不同的模型給出的結(jié)果存在差異，這意味著我們對(duì)黑洞質(zhì)量的測(cè)量還存在一定的不確定性。為了更精確地解讀宇宙的密語，我們還需要更完善的理論模型。

另一方面，在這場(chǎng)聆聽宇宙的全球交響樂中，中國(guó)也正在奏響自己的樂章。

天琴衛(wèi)星星座（由SC1，SC2，SC3三顆衛(wèi)星組成）示意圖（圖片來源：中山大學(xué)天琴中心）

中國(guó)的引力波探測(cè)計(jì)劃兵分兩路，一路向天，一路扎根于世界屋脊。向天的，便是由中國(guó)科學(xué)院院士羅俊團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”。它的目標(biāo)是在太空中搭建一個(gè)引力波天文臺(tái)，通過三顆衛(wèi)星在10萬公里高的軌道上組成一個(gè)等邊三角形陣列，用激光干涉技術(shù)捕捉LIGO等地面探測(cè)器無法觸及的低頻引力波。這些低頻引力波，可能來自于質(zhì)量更為龐大的超大質(zhì)量黑洞合并、或白矮星等致密天體構(gòu)成的雙星系統(tǒng)。目前，“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星已在軌成功完成多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，為未來的太空“豎琴”奏響了序曲。

阿里原初引力波觀測(cè)站（圖片來源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）

而扎根于“世界屋脊”的，則是位于西藏阿里地區(qū)海拔5250米之上的“阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)”。它的目標(biāo)更為宏大和古老，并非尋找黑洞合并產(chǎn)生的引力波，而是試圖捕捉宇宙誕生之初、大爆炸瞬間產(chǎn)生的“原初引力波”的蛛絲馬跡。它通過觀測(cè)宇宙中最古老的光——宇宙微波背景輻射（CMB）的偏振特性，來尋找原初引力波。如果成功，這將是宇宙暴脹理論的直接證據(jù)，是名副其實(shí)的“宇宙第一聲啼哭”。近日，阿里計(jì)劃的一號(hào)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)建成并投入觀測(cè)，正努力從地球上條件最好的觀測(cè)點(diǎn)之一，為我們揭開宇宙起源的終極奧秘。

從LIGO的驚人發(fā)現(xiàn)，到天琴與阿里的宏偉藍(lán)圖，人類正在以前所未有的方式，從不同的頻段、追溯不同的宇宙歷史時(shí)期，全方位地聆聽宇宙。每一次“心跳”的捕捉，每一次理論的突破，都在提醒我們——在這片看似寂靜的宇宙中，最狂暴、最壯麗的史詩，正在無聲地上演。而我們，才剛剛學(xué)會(huì)如何去聆聽。

作者：楊雨鑫

審核專家：李昕 北京天文館研究館員

本文在科普新媒體平臺(tái)“蝌蚪五線譜”刊發(fā)，經(jīng)授權(quán)發(fā)布