科学家发现中等质量黑洞新证据

尽管我们知道中等质量黑洞应该存在，但对其起源或特性知之甚少——它们被认为是黑洞演化过程中罕见的"缺失环节"。

然而，四项新研究为这个谜团带来了新的启示。该研究由物理学与天文学助理教授卡兰·贾尼（Karan Jani）实验室的团队领导，贾尼教授同时担任范德比尔特月球实验室计划创始主任。研究工作由国家科学基金会和范德比尔特负责科研创新的副教务长办公室资助。

主要论文《LIGO-Virgo第三次观测运行中"轻量级"中等质量黑洞候选体的特性》发表于《天体物理学杂志通讯》，由月球实验室博士后安贾莉·叶利卡尔（Anjali Yelikar）和天体物理学博士生克丽丝特尔·鲁伊斯-罗查（Krystal Ruiz-Rocha）主导。团队重新分析了位于美国的诺贝尔奖获奖项目激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器及意大利Virgo探测器的数据。

研究人员发现这些引力波对应于质量超过太阳100到300倍的黑洞合并事件，使其成为天文学记录中最重的引力波事件。

"黑洞是终极的宇宙化石，"贾尼表示。"本次新分析报告的黑洞质量在天文学中一直存在高度推测性。这批新发现的黑洞种群为宇宙最初照亮黑暗的恒星开启了一扇前所未有的观察窗口。"

像LIGO这样的地基探测器仅能捕捉这些"轻量级"中等质量黑洞最终碰撞的瞬间，这使得确定宇宙如何创造它们充满挑战。为此，贾尼实验室转向即将在2030年代末发射的欧洲航天局和美国宇航局合作项目——激光干涉空间天线（LISA）任务。

在另外两项发表于《天体物理学杂志》的研究中：鲁伊斯-罗查领导的《黑洞之海：表征恒星起源黑洞双星的LISA特征》，以及前暑期研究实习生肖布希特·兰詹（Shobhit Ranjan）领导的《双黑洞传奇：反冲速度的多频段引力波测量》，团队证明LISA能够在黑洞合并前数年就开始追踪它们，从而揭示其起源、演化和最终命运。

探测黑洞碰撞产生的引力波需要极高的精确度——犹如试图在飓风中听到针落地的声音。在同样发表于《天体物理学杂志》的第四项研究《矩阵无故障：噪声伪影下引力波信号的鲁棒重构》中，团队展示了人工智能模型如何确保来自这些黑洞的信号在数据中免受环境及探测器噪声的干扰。该论文由博士后查扬·查特吉（Chayan Chatterjee）领导，拓展了贾尼教授与数据科学研究所合作开展的"新信使人工智能计划"。

"我们希望这项研究能强化中等质量黑洞作为从地球到太空的引力波探测器网络中最令人兴奋源头的论据，"鲁伊斯-罗查说。"每次新发现都让我们更接近理解这些黑洞的起源及其为何处于神秘质量区间的真相。"

展望未来，叶利卡尔表示团队将探索如何利用月球探测器观测中等质量黑洞。

"月球表面获取的更低频引力波可能让我们识别这些黑洞所处的环境——这是地基探测器根本无法解析的，"她说。

除继续此项研究外，贾尼还将参与美国国家科学院、工程院和医学院受NASA委托开展的研究，旨在确定具有高科学价值的人类探月目的地，以实现十年期科学目标。

作为研究参与的一部分，贾尼将加入《太阳物理、物理学与物质科学专题小组》，负责界定并阐述与太阳物理学、空间天气、天文学及基础物理相关的科学目标，这些领域将通过人类在月球的探索活动获得最大突破。

"这是历史性的激动时刻——不仅为了研究黑洞，更是将科学前沿与太空及月球探索新时代相融合，"贾尼表示。"我们拥有难得的机遇培养新一代学生，他们的发现将由月球塑造，并将在月球上诞生。"