当两个黑洞合并成一个时，它们有时会在太空中留下涟漪。这些涟漪最早由阿尔伯特·爱因斯坦在一个多世纪前预测，现在，它们正帮助科学家们拼凑出促使黑洞合并的过程。
发表在《天体物理学杂志通讯》上的一项新研究调查了2024年末发生的两次黑洞合并产生的涟漪，即引力波。每一次合并都涉及一对黑洞的碰撞。这些事件发出的引力波让研究人员推断，每对黑洞中的一个黑洞可能是一个“第二代”黑洞，即已经由之前的合并形成的黑洞。通过这一洞察，他们开始理解黑洞系统是如何在密集的宇宙环境中成长的。
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来自黑洞合并的良好信号
2024年10月11日，一次黑洞合并（GW241011）发生在距地球约7亿光年处；这两个黑洞的质量分别约为太阳的17倍和7倍，其中较大的一个具有迄今为止观测到的最快旋转速度之一。
随后，在2024年11月10日，另一次合并（GW241110）使另一对黑洞结合，这次距离地球24亿光年；这两个黑洞的质量分别约为太阳的16倍和8倍，其中主黑洞是第一个被观测到其自转方向与其轨道方向相反的黑洞。
研究人员利用算法技术和数学模型，能够解释两次合并产生的引力信号，并观测到探测到的黑洞的关键特征，例如它们的速度和自旋。
黑洞的层级
双黑洞合并
（图片来源：Carl Knox, OzGrav, 斯威本科技大学）
那么，去年这两次合并之间有什么关联呢？研究人员发现，这两次合并都可能证实了“第二代”黑洞的存在。
这是因为每次合并中都有一个黑洞更大，并且与它们较小的伙伴相比，具有独特的自旋方向。注意到两次合并中的尺寸差异，研究人员提出，较大的黑洞很可能本身就来源于之前的合并——这种现象被称为“层级合并”。
根据这项新研究的一份声明，当黑洞系统存在于密集环境中时，黑洞更有可能相互碰撞并一次又一次地合并，就会发生这种情况。
“在GW241011和GW241110中观测到的异常自旋配置不仅挑战了我们对黑洞形成的理解，也为密集宇宙环境中的层级合并提供了令人信服的证据：它们告诉我们，一些黑洞不仅仅作为孤立的伴侣存在，而是可能作为一个密集而动态的群体中的成员存在，”负责意大利Virgo引力波探测器开发的Virgo合作组织发言人Gianluca Gemme说。
检验爱因斯坦的理论
通过观测2024年10月和11月的黑洞合并，研究人员已经能够验证与爱因斯坦广义相对论以及数学家罗伊·克尔关于黑洞自转的研究相关的预测。
研究人员表示，当黑洞的快速自转使其轻微变形时，会在其发出的引力波中留下独特的“指纹”。黑洞之间巨大的质量差异还会产生更高次谐波的“嗡嗡声”，很像乐器中的泛音。在10月的合并（GW241011）中观测到了其中一个谐波，这与爱因斯坦的理论相符。
快速旋转的黑洞帮助科学家的另一个方面是，它们可以用来测试假想的轻量级基本粒子（称为“超轻玻色子”）是否存在以及它们可能有多大。如果它们存在，超轻玻色子可以从黑洞中提取旋转能量，尽管这些粒子仍有几个未知因素尚待解读。
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- 本文引用了最近发表在《天体物理学杂志通讯》上的研究信息：GW241011和GW241110：用不对称、高自旋黑洞并合探索二元形成和基础物理学
