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双黑洞合并产生引力波的模拟图。 （马克斯普朗克引力物理研究所/图）来源:https://wzwxpx.com/cshi/202501-158.html

引力波的发现是21世纪迄今为止最重要的物理学成就之一，三位物理学家因为对发现引力波的重要贡献获得了2017年诺贝尔物理学奖。自2015年9月14日首次探测到引力波信号以来，科学家不断发现新的引力波信号。这种时空涟漪携带着源的重要信息，引力波天文学也开启了 探索 宇宙的新道路。

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2020年9月2日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）与位于意大利的室女座引力波天文台（Vigro）共同宣布他们利用引力波探测到一个质量为142个太阳的黑洞。这是科学家首次探测到质量介于100个太阳到1000个太阳之间的“中等质量黑洞”，也是到目前为止科学家利用引力波探测到的质量最大的黑洞。科学家推测，这个黑洞由两个较小的黑洞合并而成，而两个参与合并的黑洞中质量较大的一个，其质量并不在此前理论允许的质量范围内。这些发现将挑战我们关于大质量恒星生命周期最后阶段的理解，并加深我们对黑洞形成和演化的认识。

关于这项研究的两篇论文于9月2日同时发表：其中一篇发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，详细介绍了这个引力波信号的发现；另一篇发表在《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上，讨论了信号的物理性质和天体物理学意义。

LIGO和Virgo在2019年5月21日分别探测到这个信号，因此这个信号被编号为GW190521。这个信号源同地球的距离大约为70亿光年，是科学家探测到的最远的引力波源。科学家使用最先进的计算和建模工具，揭示出这次不同寻常的合并的大量信息。

他们推测GW190521最有可能来自不同寻常的双黑洞合并事件。到目前为止确认的所有引力波信号都来自双星合并事件，要么是双黑洞合并，要么是双中子星合并，而这次合并事件就是两个质量分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量的黑洞的合并。两个黑洞合并时，形成一个新的质量大约为142倍太阳质量的黑洞，同时释放出巨大的能量。这些能量大约相当于8个太阳的质量。法国国家科学研究中心研究员、Virgo合作组织成员尼尔森·克里斯滕森（Nelson Christensen）表示：“这不像我们通常探测到的啁啾声一样的信号。”在科学家于2015年第一次探测到的引力波事件GW20150914中，两个黑洞合并释放出3个太阳的质量。与那次的信号相比，“这次更像是一次巨响，是LIGO和Virgo到目前为止探测到的最强大的信号。”

科学家目前观测到的黑洞根据质量可以分为两类：恒星级黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞的质量在几个到几十个太阳之间，被认为是恒星死亡时形成的。超大质量黑洞的质量在数千个太阳到数十亿个太阳之间，我们银河系的中心就有这样的黑洞。而142个太阳质量的黑洞则属于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞，这也是科学家第一次探测到这种类型的黑洞。它所在的100个到1000个太阳质量这个区间被称作“黑洞沙漠”，就是因为科学家此前发现的位于这个质量区间的黑洞候选天体极少。这个质量的黑洞同对天体物理学家和宇宙学家来说最困扰也最具挑战性的问题之一有关：超大质量黑洞的起源。他们推测这些宇宙中的“巨兽”可能来自较小的中等质量黑洞的合并。

加州理工学院教授、LIGO合作组织成员艾伦·韦恩斯坦（Alan Weinstein）在LIGO官网上表示：“这个事件提出的问题要比它给出的答案更多；从发现和物理学的角度，这是一件令人激动的事情。”

这两个参与合并的黑洞同样非常独特。它们的质量很大，因此科学家怀疑其中的一个或者两个全都不是像一般的恒星级黑洞那样是由一颗塌缩的恒星形成的。来源:https://www.wanghongming.com/xwzx/202412-8.html

根据恒星演化理论，质量达到130倍太阳质量的恒星可以产生质量最高为65倍太阳质量的黑洞。对于质量更大的恒星，比如超过200倍太阳质量，由于物理机制不同，会最终直接塌缩成质量至少为120倍太阳质量的黑洞。这样一来，一颗塌缩的恒星不会产生质量大约在65倍到120倍太阳质量之间的黑洞，这个范围被称作“对不稳定质量间隙”（pair instability mass gap）。

但是在产生引力波信号GW190521的两个黑洞中，有一个处于上述质量范围的边界附近，而其中质量较大的一颗为85倍太阳质量，则是第一颗探测到的位于“对不稳定质量间隙”中的黑洞。克里斯滕森在LIGO官网上表示：“我们看到了一个位于这个质量间隙中的黑洞，这足以令很多天体物理学家挠头，尝试研究这些黑洞是如何形成的。”

在发表在《天体物理学杂志快报》上的论文中，研究人员提出了一种解释，即“分级合并”（hierarchical merger）：在相互接近并发生合并之前，两个黑洞分别是由两个更小的黑洞合并而成。不过，除了这种可能性外，Virgo合作组织成员、意大利帕多瓦大学教授米盖拉·马佩利（Michela Mapelli）指出：“还有可能是来自大质量恒星的塌缩或者其他更加奇异的过程。然而，可能我们不得不修正我们目前关于恒星生命周期最后阶段的理解以及由此得来的对黑洞形成的质量限制。不管怎样，GW190521对黑洞形成的研究都作出了重要贡献。”

尽管GW190521的信号持续时间很短，只有不到0.1秒，限制了科学家对源的天体物理性质的研究，但他们还是从中推测出合并前的两个黑洞旋转速度非常快。法国国家科学研究中心研究员、Virgo合作组织成员蒂托·达尔·坎顿（Tito Dal Canton）认为：“这个信号显示了进动的迹象。”也就是说，当两个黑洞一边旋转一边相互靠近的时候，它们各自的自转轴可能会偏离轨道的轴向，而轴的错位会导致它们的轨道摇摆不定。坎顿表示：“这个效应很微弱，因此我们不能确定它一定存在；但是如果是真的话，那这个效应就会支持这样一种假设，即合并前的黑洞产生并存在于一个不稳定的、拥挤的宇宙环境中，比如致密的恒星星系团或者活跃星系核的吸积盘。”

除了最有可能的双黑洞合并外，也还存在科学家未知的全新机制产生这些引力波的可能性。科学家在论文中简要讨论了宇宙中其他可能产生他们探测到的信号的引力波源。例如，可能是一颗位于我们的星系之中的正在塌缩的恒星产生了这个引力波信号，但是科学家并没有发现超新星爆炸的其他迹象，比如中微子；也可能来自宇宙最早期的暴胀之后产生的宇宙弦；还有一种可能性，即两个黑洞并不是形成于合并或者恒星塌缩，而是来自原初黑洞。不过，这些奇异的可能性没有哪个能和双黑洞合并一样很好地与观测数据吻合。

针对这次发现，Vigro发言人乔瓦尼·洛苏尔多（Giovanni Losurdo）这样说道：“Virgo和LIGO合作进行的观测照亮了黑暗的宇宙，定义了一个新的宇宙图景。而在今天，我们再一次宣布一个史无前例的发现。我们始终在改进我们的探测器以提升它们的性能，从而更加深入地 探索 宇宙。”

南方周末特约撰稿 鞠强

引力波怎么探测？

激光干涉引力波观测台（LIGO）一直有消息传来。继其首次观测到黑洞合并，又接连迅速发现三个合并黑洞，并获得诺贝尔奖项后，LIGO发现的一对重力波 无疑又是一项重大发现。

观测台监测到两颗有重力波波形的中子星螺旋式结合到一起。仅仅两秒的弦式所谓的伽马射线被NASA轨道上的伽马射线空间望远镜，这个反应非常迅速的空间望远镜，所监测到。波形被发现12小时后，一支来自拉斯坎帕纳斯天文台的队伍发现了一颗崭新的散发着光芒的中子星——银河系NGC4993,它与监测到的所有数据都完美符合。

并且，与先前来自LIGO的那些信息——几天后被监测到的无线电和X射线辐射，都来自同一区域来源:https://wzwxpx.com/xwzx/202412-26.html。这不仅是LIGO第一次监测到重力波形中子星的碰撞，也是电磁波观测式常规望远镜第一次伴随重力波形，全世界的观测站都发现了波长由极短的伽马射线到极长的无线电这件事。

因为我们现在对于重力波有误诊的信息，所以关于超自然中子星的新发现目前还在路上。由碰撞产生的光显示出对于元素周期表底部镧系元素光谱非常明显的指向。这种强度暗示着中子星的合并就是 像金和铂元素倾向的产生原因——这是长久以来的理论看法。

不仅如此，伽马射线爆炸式的形状也在不同寻常地减弱。伽马射线的爆发通常是如此强烈，研究者们戏剧性的假设这是两架喷气式飞机尾对尾剧烈碰撞的狭窄焦点。稍弱的伽马射线爆发就意味着有更宽大的飞机猛力撞击上另一架,周围环绕着目标中子星。

但是，这个理论是这些首次发现的一个理论归宿，但它不会是最后一个。（Researchers）研究者们在大量伽马射线事件发生以及重力电磁波检测器的灵敏度逐渐上升的情况下认为 形式十分乐观，我们在未来将会看到更多这类中子星结合的事情发生。 ?

天文学家首次探测到黑洞吞噬中子星

北京时间16日晚22时，包括我国在内的多国科学家宣布，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”由这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

据科学家介绍，2017年8月17日，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)发现一个新的引力波信号GW170817。这个信号是一个由双中子星合并产生的引力波。全球约70个地面及空间望远镜从红外、X光、紫外和射电波等多个波段开展后续观测。这其中，也包括中国架设在昆仑站的南极巡天望远镜AST3-2。

仅仅在LIGO观测到引力波信号后的1.7秒，美国费米太空望远镜探测到名为GRB170817A的伽马射线暴。“费米几乎在同一时间观测到伽马射线暴，让我们更加兴奋，也更有紧迫感。”加州理工学院LIGO数据分析小组负责人艾伦?温斯坦教授回忆说。

LIGO和费米在遇到强信号时，会自动向天文界发送警报。这是一场与时间的赛跑，世界范围内的望远镜后续观测随即启动。大约11个小时后，位于智利的斯沃普望远镜率先观测到此次信号的光学对应物——位于一个叫NGC4993星系的双中子星系统。AT3-2独立收集到的数据，科研人员还计算出，此次两颗致密中子星合并的过程共抛射出超过3000倍地球质量的物质，这些物质携带有巨大能量，抛射速度达到0.3倍光速。

引力波也被称为“时空的涟漪”。1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言，剧烈的天体活动会带动周围的时空一起波动，这就是引力波的由来。此后百年间，科学界一直在寻找引力波的存在。此前，人类已经发现4例由双黑洞合并产生的引力波。

2020年1月5日，天文学家们从大约9亿光年外的宇宙探测到强烈的波动，转瞬即逝的“声音”与以往探测到的完全不同，它是由巨大的时空涟漪涟漪——引力波引起的，它从超过9亿光年远的地方传播到整个宇宙。10天后，天文学家们又听到了另一个类似的“声音”，引力波再次冲击了地球的探测器。

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在此之前，天文学家已经发现了黑洞与黑洞的合并、中子星 与中子星的合并，他们 一直在等待并期待一次全新的碰撞，直到 这两个事件的发现。 这两个事件被以发现日期分别命名为GW200105和GW200115， 经过仔细分析，它们被确定为来自深空极端的、前所未见的事件——黑洞和中子星之间的碰撞。

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九亿年前的碰撞

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GW200105和GW200115是相似的事件，但碰撞的物体性质略有不同，科学的名称相对正式，因此天文学家将它们分别昵称为称为Lenny(GW200105)和Carl (GW200115)。研究团队表示，Lenny是一个质量约为太阳9倍的黑洞与质量约为太阳1.9倍的中子星的碰撞，Carl是一个质量约为太阳6倍的黑洞与一颗质量约为太阳1.5倍的中子星的碰撞。合并事件发生在距我们很远的9亿年前，而引力波是直到最近才传到我们这里的。来源:https://wzwxpx.com/bkjj/202412-12.html

当我们在这里说“碰撞”或“合并”时，我们并不完全确定当两个对象最终聚集在一起时发生了什么，很长一段时间，他们互相盘旋，被对方的引力困住，最终，它们融合在一起来源:https://wzwxpx.com/zhishi/202412-137.html。

Lenny和Carl的发现帮助揭示了我们宇宙中最极端的物体，希望有一天，人类可以探明它们背后的秘密。 来源:https://wzwxpx.com/cshi/202412-18.html

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