地球上引力波探測器“聆聽”到的時空漣漪目錄數量翻倍

IT之家 3 月 8 日消息，科學家表示，地球上的引力波探測器“聆聽”到的時空漣漪目錄數量已翻倍，新發現的引力波源包括不穩定的黑洞合并事件，以及迄今為止探測到的質量最大的黑洞碰撞。

早在 1915 年，阿爾伯特 · 愛因斯坦就預言：當宇宙中密度最高、最極端的天體發生碰撞時，這些事件會讓時空本身（被統一稱為“時空”的四維實體）產生震蕩。一百年后的 2015 年 9 月 14 日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到了這些時空漣漪，它們源自 13 億多光年之外的黑洞碰撞。

從那以后，LIGO 及其合作引力波探測器 —— 意大利的室女座干涉儀（Virgo）和日本的神岡引力波探測器（KAGRA），已經探測到大量來自黑洞合并、中子星合并，甚至黑洞與中子星“混合合并”的引力波。LIGO-Virgo-KAGRA 合作組（LVK）的最新觀測數據顯示，宇宙中充斥著來自天體碰撞的引力波。

加州理工學院的 LVK 成員露西 · 托馬斯在一份聲明中說：“每一次新的引力波探測，都讓我們以十年前無法想象的方式，解開宇宙謎題的又一塊碎片。想到未來的觀測任務能為我們揭開哪些天體物理奧秘與驚喜，就令人無比激動。”

這份被命名為《引力波瞬變目錄 4.0》（GWTC-4）的數據集包含 128 個極其遙遠的引力波源，數據來自這些引力波探測器的第四次觀測運行，觀測時間為 2023 年 5 月至 2024 年 1 月。

在此之前，LIGO、Virgo 與 KAGRA 前三次觀測僅“捕捉”到 90 個潛在引力波源。令人振奮的是，GWTC-4 的規模本可以更大：LIGO、Virgo 和 KAGRA 還探測到約 170 個引力波信號，尚未被納入該目錄。

英國卡迪夫大學教授、LIGO 發言人斯蒂芬 · 費爾赫斯特在聲明中表示：“過去十年，引力波天文學從首次探測，發展到觀測數百次黑洞合并。這些觀測讓我們更深入地理解大質量恒星坍縮形成黑洞的過程，探索宇宙的演化，并對廣義相對論進行越來越嚴格的驗證。”

GWTC-4 最突出的特點之一，是產生這些信號的事件類型極為豐富。目錄中包含：

• 迄今觀測到質量最大的雙黑洞合并事件，單個黑洞質量約為太陽的 130 倍；
• 質量差異懸殊的不對稱黑洞合并；
• 旋轉速度接近光速 40% 的高速自旋黑洞。

科學家認為，這些參與合并的黑洞之所以擁有極端特征，是此前多次碰撞的結果，這為“合并鏈”理論提供了證據，該理論可以解釋部分黑洞如何成長為太陽質量數十億倍的超大質量黑洞。

麻省理工學院科學家、LVK 成員薩爾瓦托雷 · 維塔萊在聲明中說：“這組數據讓我們更加確信：在宇宙早期發生碰撞的黑洞，相比后期碰撞的黑洞，更容易擁有更大的自旋速度。”

IT之家注意到，GWTC-4 還新增了兩例黑洞與中子星的混合合并事件。

英國格拉斯哥大學的 LVK 成員丹尼爾 · 威廉姆斯表示：“這份目錄傳遞的信息是：我們正在拓展所謂‘參數空間’的新領域，觀測到全新類型的黑洞。我們真的在突破邊界，看到質量更大、自旋更快、在天體物理上更奇特、更不尋常的現象。”

該目錄也證明了 LVK 探測器的靈敏度已達到極高水平。部分中子星合并事件發生在遠至 10 億光年之外，部分黑洞合并則遠達 100 億光年。這些探測讓科學家得以檢驗最早預言黑洞與引力波存在的理論 —— 愛因斯坦的巔峰引力理論：廣義相對論。

美國得克薩斯大學奧斯汀分校的 LVK 成員阿倫 · 齊默爾曼說：“黑洞是廣義相對論最具標志性、也最顛覆認知的預言之一。它們對時空的擾動，幾乎比我們能觀測到的任何過程都要劇烈。在檢驗物理理論時，觀測最極端的環境非常有價值，因為理論最有可能在這些地方失效，而我們也最有可能在這里取得新發現。到目前為止，廣義相對論通過了我們所有的檢驗。但我們也意識到，必須做出更精確的理論預測，才能跟上宇宙為我們提供的海量數據。”

LVK 的相關研究成果即將發表在《天體物理學雜志快報》的特刊上。