2023年末，一項震撼人心的天文發(fā)現(xiàn)震撼了科學界。美國華盛頓州漢福德與路易斯安那州利文斯頓的激光干涉引力波天文臺（LIGO）幾乎同時捕捉到了一個前所未有的引力波信號，編號為GW231123。此次探測到的信號源自兩個超大質(zhì)量黑洞的合并，產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量驚人，達到了太陽質(zhì)量的225倍，刷新了引力波探測史上的紀錄。

這兩個黑洞的質(zhì)量分別約為太陽質(zhì)量的103倍和137倍，遠超以往記錄保持者。2021年記錄的GW190521事件產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的140倍，而GW231123事件中的黑洞質(zhì)量則比其高出60%以上。在合并過程中，相當于15個太陽質(zhì)量的物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為純粹的能量，以引力波的形式向宇宙四方傳播，最終在距離地球約20億至130億光年的遙遠距離上被LIGO探測器捕獲。信號的信噪比高達22.5，這一強烈的信號為科學家們提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

GW231123的發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有的恒星演化理論提出了嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)恒星演化標準模型，質(zhì)量超過太陽質(zhì)量140倍的恒星在生命末期會發(fā)生對不穩(wěn)定超新星爆發(fā)，這種爆發(fā)會完全摧毀恒星核心，不會留下任何黑洞。這一機制在黑洞質(zhì)量分布中形成了一個“質(zhì)量空隙”，即大約60到130倍太陽質(zhì)量之間的黑洞極為罕見。然而，GW231123中的黑洞質(zhì)量正好落在這個“禁區(qū)”內(nèi)或其邊緣，英國卡迪夫大學的Mark Hannam教授指出，按照現(xiàn)有理論，如此大質(zhì)量的黑洞本應(yīng)不存在。

除了黑洞的驚人質(zhì)量，它們的自旋特征也極為罕見。分析顯示，這兩個黑洞的旋轉(zhuǎn)速度接近廣義相對論允許的最大極限，自旋參數(shù)分別達到0.9和0.8，理論最大值為1。這種高速自旋為理解黑洞的形成機制提供了關(guān)鍵線索。科學家們推測，這些黑洞很可能是通過多次較小黑洞合并的“層級合并”過程形成的。在這種情況下，較小的黑洞經(jīng)過多次合并，質(zhì)量和自旋速度逐漸增長，最終形成了觀測到的極端天體。

GW231123的成功探測展示了當前引力波探測技術(shù)的極限能力。這些黑洞的高質(zhì)量和極快自旋對引力波探測技術(shù)和理論模型都提出了嚴峻挑戰(zhàn)。科學家們需要利用最先進的理論模型解析信號，這些模型必須考慮高速自旋黑洞的復(fù)雜動力學過程。盡管引力波信號的持續(xù)時間僅有十分之一秒，但這短暫的瞬間包含了黑洞質(zhì)量、自旋、距離等關(guān)鍵物理參數(shù)的重要信息。

自2015年LIGO首次直接探測到引力波以來，該領(lǐng)域取得了顯著進展。目前，LIGO已與意大利的Virgo探測器和日本的KAGRA探測器形成了國際合作網(wǎng)絡(luò)。在2023年5月開始的第四次觀測運行中，這個網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)探測到超過200個黑洞合并候選事件，累計探測數(shù)量超過300個。GW231123這樣的稀有事件的成功探測和分析得益于探測能力的大幅提升。

此次發(fā)現(xiàn)對理解中等質(zhì)量黑洞的形成具有重要意義。天文學家已經(jīng)觀測到大量的恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞，但中等質(zhì)量黑洞一直相對難以發(fā)現(xiàn)。GW231123表明，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量200倍的中等質(zhì)量黑洞確實可以通過引力波驅(qū)動的合并過程形成。這類黑洞可能在星系演化中扮演著重要角色，通過層級合并的方式不斷增長質(zhì)量和自旋速度，最終可能發(fā)展成為星系中心的超大質(zhì)量黑洞。

GW231123的復(fù)雜特征也要求科學界開發(fā)更先進的理論工具。不同信號模型在推斷參數(shù)方面存在差異，表明該事件的某些性質(zhì)存在較大的不確定性。英國伯明翰大學的Gregorio Carullo預(yù)測，學界可能需要數(shù)年時間才能完全解開這個復(fù)雜信號模式及其所有含義。科學家們正在致力于改進用于解釋此類極端事件的模型，這些工作將有助于更好地理解宇宙中最極端的物理過程。

GW231123的詳細分析結(jié)果已在英國格拉斯哥舉行的第24屆國際廣義相對論與引力會議暨第16屆Edoardo Amaldi引力波會議上發(fā)布。這些校準數(shù)據(jù)將通過引力波開放科學中心向全球研究人員開放，供進一步分析和研究。