在2024年末相隔仅一个月探测到的两起巨型黑洞碰撞事件，正重塑科学家对宇宙中最极端天体事件的理解。这对合并事件不仅为黑洞的形成与演化机制提供了新见解，更以前所未有的精度验证了阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论预言。这些发现还可能帮助研究人员找到能从黑洞提取能量的新型未知粒子。
国际LIGO-Virgo-KAGRA合作组织在10月28日发表于《天体物理学杂志通讯》的研究中宣布，他们探测到来自黑洞的两个非凡引力波信号，这些具有异常自旋模式的黑洞碰撞记录于去年10月和11月。
引力波是巨大天体碰撞或合并时产生的时空涟漪，最强信号源自黑洞碰撞。首个事件GW241011（2024年10月11日）发生在距地球约7亿光年处，两个质量分别为太阳20倍和6倍的黑洞合并，其中较大者被确认为迄今观测到的自转速度最快的黑洞之一。约一个月后，在24亿光年外探测到第二起事件GW241110（2024年11月10日），此次合并的黑洞质量约为太阳17倍和8倍。与大多数沿轨道同向旋转的黑洞不同，GW241110中的主黑洞呈反向自转，这是人类首次观测到此类构型。
“每次新探测都为我们揭示宇宙的重要信息，这些观测到的合并事件既是天体物理学的发现，也是探究物理基本定律的无价实验室，”论文合著者、内华达大学拉斯维加斯分校（UNLV）天体物理学助理教授卡尔-约翰·哈斯特（Carl-Johan Haster）表示，“早前观测已预示此类双星系统存在，但这是我们首次获得直接证据。”
爱因斯坦早在1916年就在广义相对论中预言引力波存在，20世纪70年代其存在性获间接证实，但直到2015年LIGO天文台首次直接探测到黑洞合并产生的引力波。如今，LIGO-Virgo-KAGRA网络已构成全球先进探测系统，团队目前正处于第四轮观测期O4（2023年5月启动，将持续至2025年11月中旬），迄今已探测到约300起黑洞合并事件。
GW241011和GW241110的发现彰显了引力波天文学在揭示黑洞系统内部机制方面的长足进步。这两起事件表明，部分黑洞可能由早期合并残骸形成的“第二代黑洞”。卡迪夫大学教授、LIGO科学合作组织发言人斯蒂芬·费尔赫斯特（Stephen Fairhurst）指出：“这两个事件是LIGO-Virgo-KAGRA网络观测到的数百起事件中最具新颖性的案例。它们均呈现一个黑洞质量显著大于伴星且高速旋转的特征，这为‘这些黑洞由先前黑洞合并形成’的理论提供了令人振奋的证据。”
研究人员注意到若干有趣模式，包括成对黑洞间的显著质量差（较大者质量近乎伴星两倍）及异常自转方向。这些特征表明黑洞可能通过“等级合并”过程形成——即在星团等密集区域内，黑洞在其生命周期中经历多次碰撞。论文合著者、威廉姆斯学院助理教授托马斯·卡利斯特（Thomas Callister）解释道：“这两起双黑洞合并事件为了解黑洞早期演化提供了最激动人心的线索。它们证明部分黑洞不仅以孤立对存在，更可能是密集动态群体中的成员。未来我们有望通过这些观测进一步理解孕育这些群体的天体物理环境。”
GW241011的超高精度探测使研究人员能在极端环境下检验爱因斯坦广义相对论。由于该事件信号清晰，科学家得以将结果与爱因斯坦方程及描述旋转黑洞的罗伊·克尔（Roy Kerr）解进行比对。GW241011的快速自旋轻微扭曲其形态，在引力波中留下独特印记。数据分析结果与克尔模型高度吻合，以创纪录精度证实了爱因斯坦预言。碰撞黑洞的显著质量差还产生了“高次谐波”——类似乐器的泛音效应，这种迄今仅第三次清晰观测到的稀有特征，为爱因斯坦理论再添实证。
哈斯特强调：“GW241011的强度与其黑洞组件的极端特性，为检验黑洞认知提供了空前手段。我们现在确信黑洞形态符合爱因斯坦与克尔的预言，广义相对论的成功清单上又添两项验证。这也意味着我们对超越爱因斯坦理论的新物理现象的探测灵敏度已达史上最高。”
本研究观测到的快速旋转黑洞另具粒子物理学应用价值——科学家可借此检验某些假想的轻质基本粒子是否存在及其质量范围。这些被称为“超轻玻色子”的粒子由超越描述已知基本粒子的“标准模型”的理论预言。若超轻玻色子存在，它们能从黑洞提取旋转能量，其提取效率及黑洞自转减速程度取决于这些未知粒子的质量。观测显示，发射GW241011的双星系统中大质量黑洞在形成数百万甚至数十亿年后仍保持高速旋转，这排除了广泛范围内的超轻玻色子质量。
费尔赫斯特表示：“LIGO、Virgo和KAGRA探测器的计划升级将推动对类似系统的持续观测，帮助我们更深入理解支配这些双黑洞系统的基本物理规律及其形成机制。”LIGO利文斯顿天文台站长乔·盖姆（Joe Giaime）指出，近年来LIGO科学家与工程师对探测器实施的改进实现了合并波形的精确测量，使GW241011与GW241110所需的细微观测成为可能。“更高灵敏度不仅让LIGO能探测更多信号，更使我们能更深刻地解读已探测到的信号。”
