宇宙正低聲吟唱時空的漣漪

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編譯：汪煜

校對：牧夫天文校對組

后期與責任編輯：王啟儒

“我們正在將人類的觀測能力推向宇宙邊界，去觀測那些質量更大，自旋更快，在天體物理學上更加奇特且引人入勝的天體。”

通過激光干涉引力波觀測臺（LIGO）捕捉到的那些宇宙信號，我們在地球上“聆聽到”來自時空的漣漪的數量逐步突破新高。新信號源種類繁多，從軌道攝動的黑洞到迄今為止最重黑洞的碰撞都涵蓋其中。

時間回溯到1915年，愛因斯坦曾預言：當宇宙中最致密、最極端的天體（黑洞）發生碰撞時，它們會使構成空間與時間的“織物”（統稱為四維時空）發生振動。整整一個世紀后， 2015 年 9 月 14 日，LIGO首次探測到了這些時空的漣漪。而這些信號來自 13 億光年之外兩顆黑洞的合并。（補圖）

引力波藝術概念圖

Credit：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

自那時起，LIGO聯合意大利探測器Virgo、日本 KAGRA 等裝置，陸續捕捉到了大量來自黑洞合并、雙中子星合并，甚至黑洞與中子星之間“混合合并”的引力波。最新一次數據顯示，宇宙幾乎在不斷“嗡嗡作響”（這并不是微波背景輻射），這是身處宇宙級碰撞產生的引力波不停回蕩。

加州理工學院的研究員Lucy Thomas 在一份聲明指出：“每一次新的引力波探測都會讓我們用數十年前根本無法想象的方式解開宇宙給予我們似拼圖一樣的謎題。想到未來的觀測可能會揭示出更多天體物理學的奧秘與驚喜確實難以令人不充滿激動與期許。”

引力波瞬變目錄4.0（GWTC-4）目錄

Credit：Ryan Nowicki/Bill Smith/ Karan Jani

這份名為引力波瞬變目錄4.0（GWTC-4） 的數據包括128個極端遙遠的引力波源。這些數據來自探測器的第四次觀測運行，運行時間范圍為 2023 年 5 月至 2024 年 1 月。

在此前的前三次觀測運行中，LIGO、Virgo 與 KAGRA 只“聽到”約 90 個潛在引力波事件。令人興奮的是，GWTC-4 本可以更大：由于需要等待數據處理，大約還有170個由這些探測器記錄但仍然尚未進入正式目錄的事件。卡迪夫大學 LIGO 發言人Stephen Fairhurst表示 “在過去十年里，引力波天文學已經從第一次探測發展到觀測數百起黑洞合并。這些觀測讓我們能夠更好地理解黑洞如何由大質量恒星坍縮形成，探究宇宙的演化，同時也對廣義相對論進行越來越嚴格的檢驗。”

GWTC-4 的一個顯著特點是事件類型的多樣性：目錄中既包含迄今觀測到的最重黑洞雙星之一（每顆質量約為 130 個太陽質量），也包括質量嚴重不對稱的“失衡合并”，以及自轉極快的黑洞——其自旋速度可達光速的40%。在這些極端例子中，科學家認為參與合并的黑洞之所以呈現出極端性質，可能是因為它們在此前就經歷過合并：一系列的“合并鏈”會使得黑洞逐步成長。這為解釋某些黑洞如何成長為質量達太陽若干倍甚至數十億倍的巨獸提供了證據。（補圖）

探測到黑洞與中子星碰撞的圖譜

Credit：LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller

除此以外，GWTC-4 中還包括兩起新的黑洞—中子星混合合并事件。正如目錄所示，我們正在進入所謂的“參數空間”的新區域，而這新的區域充斥著全新類型的黑洞。

格拉斯哥大學研究員Daniel Williams 說：“我們不斷在推動邊界的延伸。我們看到的這些天體更重、旋轉得更快，也在天體物理學上更有趣、更不尋常。”

該目錄同樣展示了 LVK 探測器靈敏度的巨大提升。部分中子星合并事件的探測距離可達 約 10 億光年，部分黑洞合并甚至來自 約 100 億光年 之外。借助這些觀測，科學家們得以在極端條件下檢驗早在一百多年前就被提出的理論：愛因斯坦的廣義相對論。

到目前為止，廣義相對論已在所有這些檢驗中通過考驗；但研究者也逐漸意識到，宇宙不斷向我們提供越來越豐富的數據，而我們的理論預測也必須變得更加精確，才能跟上宇宙觀測中所揭示出的細節。

——The End——

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