打破紀錄，超越理論？人類在601天前的引力波信號中究竟發現了什么

在近日舉行的一場以廣義相對論及引力波為主題的國際學術會議[1]上， LIGO-Virgo-KAGRA三大引力波研究團隊聯合宣布捕捉到了一次迄今已知質量最大的雙黑洞合并事件GW231123，兩顆黑洞合并前的總質量達到了190~265倍太陽質量，合并后的新黑洞質量則超過200倍（182~251）太陽質量。相關論文最早于7月10日上傳到預印本網站，最新版本的修改日期為7月14日[2]。

位于華盛頓州漢福德（左）和路易斯安那州利文斯頓的 LIGO 雙探測器︱LIGO Lab/Caltech/MIT

自2015年首次探測到引力波（GW150914）到GW231123，人類已累計確認了70起由雙黑洞合并引起的引力波事件。在GW231123以前質量最大的雙黑洞合并事件是GW190521，兩顆黑洞合并后產生了一個約140倍太陽質量的新黑洞。

GW190521事件合并的新黑洞也是人類歷史上首次明確探測到中等質量黑洞（＞100倍太陽質量）︱LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）

GW231123除了打破了GW190521保持的黑洞合并質量記錄，參與合并事件的兩顆黑洞的自旋情況也相當特殊：兩者的自旋參數（0.9/0.8）都逼近了理論上限（上限為1），極高的自旋使得學者在通過引力波信號推算黑洞的質量、方位以及距離時有更高的不確定度。而這種不確定性也間接導致兩顆黑洞觸碰到了現有黑洞理論的一個「禁區」。

GW231123的各項屬性︱參考文獻[2]

黑洞可以根據其質量大小劃分為三類：恒星質量黑洞、中等質量黑洞以及超大質量黑洞，其中恒星質量黑洞的形成與大質量恒星的演化密切相關。對于質量在100~250倍太陽質量的恒星，在演化末期要么會經歷不少于一次質量拋射使得質量下降到100倍太陽質量以內繼續演化為一般的Ⅱ型超新星，要么會直接形成「對不穩定超新星」[3]，這類超新星爆發后不留下任何殘骸。

在130~250倍太陽質量的恒星核心，伽馬射線與原子核作用生成電子-正電子對，導致輻射壓下降，引力占經主導，進而引發失控核反應，形成「對不穩定超新星」︱NASA/CXC/M. Weiss

這種恒星演化機制會導致理論上黑洞的質量分布在60~130倍太陽質量的區間出現空白（下稱「質量間隙」）。目前我們發現的黑洞中，除去已知的由于雙黑洞合并產生的黑洞，剩余黑洞的質量分布基本符合這一結論。

目前人類已知的黑洞與中子星的質量分布︱LIGO-Virgo/ Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller

對于GW231123而言，質量更大的主黑洞大于130倍太陽質量的概率是74%，落在質量間隙的概率是26%。而次黑洞落在質量間隙的概率達到了83%。有四分之一的概率兩顆黑洞同時位于質量間隙，主黑洞超過130倍太陽質量而次黑洞落在質量間隙的概率則接近60%（58 %），換句話說至少有一顆黑洞落在質量間隙的概率超過80%。

已知黑洞的質量大多分布在60倍太陽質量以內（藍線）︱Simona J. Miller/Caltech; adapted by J. Hirshfeld

按照現有恒星演化理論，有必要討論GW231123兩顆前身黑洞闖入「質量間隙」的原因。一個最直接的解釋是兩顆前身黑洞是由更小質量的黑洞合并而來，論文進一步推測合成前身黑洞的黑洞之中至少有一員也位處質量間隙。這種滾雪球式的黑洞合并過程需要在一個高逃逸速度的環境下才能出現，否則就要通過其他天體物理過程如不斷吸積恒星來實現黑洞質量增加的目的。實際上GW190521中的主黑洞質量也落在了質量間隙（質量大于65倍太陽質量的置信度為99%[4]），這表明GW190521可能也有類似的演化歷程。

一般認為GW190521是質量分別為66倍和85倍太陽質量的雙黑洞合并事件，最終生成142倍太陽質量的黑洞︱LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）

不過論文作者也對其他可能性持開放態度，包括雙黑洞合并時軌道偏心率的影響，引力透鏡效應，乃至非雙黑洞合并的其他天體物理事件，如宇宙弦坍縮、奇異致密天體（如玻色子星）碰撞等。

一圖讀懂GW231123︱Simona J. Miller/Caltech

參考&拓展

[1]https://www.iop.org/events/24th-international-conference-general-relativity-and-gravitation-16th-edoardo-amaldi

[2]https://arxiv.org/pdf/2507.08219

[3]對不穩定超新星：由于高能γ光子和原子核碰撞產生電子和正電子，導致恒星熱壓力下降，引發超新星爆發。2009年10月的《自然》雜志刊登了第一個此類超新星的觀測證據和相關分析。 https://nadc.china-vo.org/astrodict/termdetails?id=19993

[4]https://arxiv.org/pdf/2010.14527

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