打破纪录，超越理论？人类在601天前的引力波信号中究竟发现了什么

在近日举行的一场以广义相对论及引力波为主题的国际学术会议[1]上， LIGO-Virgo-KAGRA三大引力波研究团队联合宣布捕捉到了一次迄今已知质量最大的双黑洞合并事件GW231123，两颗黑洞合并前的总质量达到了190~265倍太阳质量，合并后的新黑洞质量则超过200倍（182~251）太阳质量。相关论文最早于7月10日上传到预印本网站，最新版本的修改日期为7月14日[2]。

位于华盛顿州汉福德（左）和路易斯安那州利文斯顿的 LIGO 双探测器︱LIGO Lab/Caltech/MIT

自2015年首次探测到引力波（GW150914）到GW231123，人类已累计确认了70起由双黑洞合并引起的引力波事件。在GW231123以前质量最大的双黑洞合并事件是GW190521，两颗黑洞合并后产生了一个约140倍太阳质量的新黑洞。

GW190521事件合并的新黑洞也是人类历史上首次明确探测到中等质量黑洞（＞100倍太阳质量）︱LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）

GW231123除了打破了GW190521保持的黑洞合并质量记录，参与合并事件的两颗黑洞的自旋情况也相当特殊：两者的自旋参数（0.9/0.8）都逼近了理论上限（上限为1），极高的自旋使得学者在通过引力波信号推算黑洞的质量、方位以及距离时有更高的不确定度。而这种不确定性也间接导致两颗黑洞触碰到了现有黑洞理论的一个「禁区」。

GW231123的各项属性︱参考文献[2]

黑洞可以根据其质量大小划分为三类：恒星质量黑洞、中等质量黑洞以及超大质量黑洞，其中恒星质量黑洞的形成与大质量恒星的演化密切相关。对于质量在100~250倍太阳质量的恒星，在演化末期要么会经历不少于一次质量抛射使得质量下降到100倍太阳质量以内继续演化为一般的Ⅱ型超新星，要么会直接形成「对不稳定超新星」[3]，这类超新星爆发后不留下任何残骸。

在130~250倍太阳质量的恒星核心，伽马射线与原子核作用生成电子-正电子对，导致辐射压下降，引力占经主导，进而引发失控核反应，形成「对不稳定超新星」︱NASA/CXC/M. Weiss

这种恒星演化机制会导致理论上黑洞的质量分布在60~130倍太阳质量的区间出现空白（下称「质量间隙」）。目前我们发现的黑洞中，除去已知的由于双黑洞合并产生的黑洞，剩余黑洞的质量分布基本符合这一结论。

目前人类已知的黑洞与中子星的质量分布︱LIGO-Virgo/ Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller

对于GW231123而言，质量更大的主黑洞大于130倍太阳质量的概率是74%，落在质量间隙的概率是26%。而次黑洞落在质量间隙的概率达到了83%。有四分之一的概率两颗黑洞同时位于质量间隙，主黑洞超过130倍太阳质量而次黑洞落在质量间隙的概率则接近60%（58 %），换句话说至少有一颗黑洞落在质量间隙的概率超过80%。

已知黑洞的质量大多分布在60倍太阳质量以内（蓝线）︱Simona J. Miller/Caltech; adapted by J. Hirshfeld

按照现有恒星演化理论，有必要讨论GW231123两颗前身黑洞闯入「质量间隙」的原因。一个最直接的解释是两颗前身黑洞是由更小质量的黑洞合并而来，论文进一步推测合成前身黑洞的黑洞之中至少有一员也位处质量间隙。这种滚雪球式的黑洞合并过程需要在一个高逃逸速度的环境下才能出现，否则就要通过其他天体物理过程如不断吸积恒星来实现黑洞质量增加的目的。实际上GW190521中的主黑洞质量也落在了质量间隙（质量大于65倍太阳质量的置信度为99%[4]），这表明GW190521可能也有类似的演化历程。

一般认为GW190521是质量分别为66倍和85倍太阳质量的双黑洞合并事件，最终生成142倍太阳质量的黑洞︱LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt （IPAC）

不过论文作者也对其他可能性持开放态度，包括双黑洞合并时轨道偏心率的影响，引力透镜效应，乃至非双黑洞合并的其他天体物理事件，如宇宙弦坍缩、奇异致密天体（如玻色子星）碰撞等。

一图读懂GW231123︱Simona J. Miller/Caltech

参考&拓展

[1]https://www.iop.org/events/24th-international-conference-general-relativity-and-gravitation-16th-edoardo-amaldi

[2]https://arxiv.org/pdf/2507.08219

[3]对不稳定超新星：由于高能γ光子和原子核碰撞产生电子和正电子，导致恒星热压力下降，引发超新星爆发。2009年10月的《自然》杂志刊登了第一个此类超新星的观测证据和相关分析。 https://nadc.china-vo.org/astrodict/termdetails?id=19993

[4]https://arxiv.org/pdf/2010.14527

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