自2006年以来，天体物理学家通过计算机模拟表明，当两个黑洞合并时，在这个过程中释放出的引力波会携带线性动量。这反过来又可能给合并产生的产物——一个更大的黑洞——带来巨大的反冲力，即“一击”。
直到现在，这种“一击”仍然严格停留在理论层面。它可以通过阿尔伯特·爱因斯坦在1915年提出的广义相对论方程以及他一年后对引力波的预测中推断出来。但本月早些时候发布的一项预印本研究（目前正在同行评审中）提供了第一个基于真实黑洞合并天文数据的现象证据。事实上，这次“一击”的速度可能足以让这个黑洞从其起源星系中弹射出去，目的地未知。
“之前曾有人尝试观察到类似现象，”领导该九人研究团队的波茨坦阿尔伯特·爱因斯坦研究所的天体物理学家Vijay Varma说。“问题在于，探测器的灵敏度还不够高，无法分辨引力波信号中确定‘一击’速度所需的细微特征。”
但Varma及其同事分析了去年11月通过美国LIGO、欧洲Virgo和日本KAGRA天文台合作发布的新数据。这些领先的引力波天文学设施，最近提高了探测器的灵敏度，记录了一个特定的引力波事件——官方命名为GW200129——该事件提供了约30亿光年前发生的一次黑洞合并的信息。
不对称性
“这是一个很好的研究，”米兰比可卡大学的天体物理学家Davide Gerosa说，他研究引力波天文学，但与该研究无关。“它与100多年前广义相对论的一项基本预测有关，而我们现在终于看到了它。”
Varma及其合作者估算的反冲力源于物理学中一条神圣的定律：线性动量守恒。“步枪之所以会向后‘踢’，是因为子弹带走了动量，”Varma解释道。当引力波在一个方向上带走线性动量时，残余黑洞就会在相反方向上反冲。
马萨诸塞州达特茅斯大学的数学家、该论文的合著者Scott Field指出，这一切都归结于对称性，或者说缺乏对称性。如果这个事件是完全对称的——两个质量相等、无自旋的黑洞和谐地汇合——“就不会有反冲。这是因为引力波会被大致相等且相反地‘向上’和‘向下’发射，相互抵消，因此没有‘一击’。”然而，在不太理想的情况下，一定程度的反冲是不可避免的。
反冲的大小将取决于两个黑洞自旋的失配程度以及它们开始“进动”（像陀螺一样在倒下前晃动）的程度。“没有进动就不会有[巨大的]‘一击’，”Field补充说，“粗略地说，进动越大，‘一击’就越大。”
这个原理被用于计算与GW200129相关的“一击”速度。Varma强调，尽管该团队的结论基于真实的观测，但他们无法真正“看到”黑洞的移动。这种移动必须被推断出来。
一个流浪的黑洞
他们的分析分两步进行，借鉴了他们为这项研究开发的两个独立模型：一个模型结合了广义相对论“场方程”的现有解，帮助他们检查了该事件的引力波信号，并提取了两个黑洞合并前的质量、自旋和进动信息。然后，他们应用了他们的第二个模型——同样基于广义相对论解——来利用上述信息预测“一击”速度。最可能的值约为每小时350万英里。
Field断言，如果这个黑洞起源于一个被称为“球状星团”的大而致密的星团——这是合并的常见温床，其逃逸速度通常不到预测“一击”速度的十分之一——“它被逐出的几率接近100%。”星团的引力场不足以阻止黑洞飞离。
密西西比大学的物理学家Leo Stein（未参与该研究）同意这一评估。“那个巨大的‘一击’足够大，（几乎肯定）将残余黑洞踢出了它的星团，”Stein说。“所以它现在是一个流浪黑洞，在它的星系中游荡，很可能再也不会被听说了。”
大规模合并
目前的理论认为，黑洞在重星耗尽核燃料并坍缩时形成。但这些情景无法解释LIGO和Virgo已发现的超过60个太阳质量的黑洞。一种合理的解释是：这些超大质量黑洞是由合并形成的。最重要的是，确定合并后“一击”速度可以为科学家提供关于黑洞质量分布的线索。
但问题仍然存在：两个黑洞合并后，它们能否再次合并，并且反复如此？“反冲是这个谜题的关键部分，因为一旦（黑洞）消失了，它们就无法再次合并，”Gerosa解释道。“能否再次合并，关键在于它们得到的‘一击’有多大。”
回答这些问题的唯一方法是收集更多观测数据，这些数据提供了关于黑洞合并通常伴随的“一击”大小（和速度）的信息。“通过这种方式，我们可以积累统计数据，帮助我们限制自然界中重复合并的发生率，”Varma说。
为此，大型引力波天文台的数据收集将在几个月内恢复。Gerosa对此前景感到兴奋。“更多的数据意味着更多的事件，以及更多出现其他非凡事件的可能性——甚至可能比这次事件更非凡。”
本文已更新，以反映Vijay Varma的澄清。
