390次引力波探测揭示了隐藏的黑洞种群

新发布的引力波瞬变源星表5.0（GWTC-5）已在线发布，相关研究论文已提交至《天体物理学杂志》和《天体物理学杂志通讯》。

最新星表新增了161个新识别的信号，这些信号来自2024年4月至2025年1月底期间，由美国的LIGO探测器、意大利的Virgo和日本的KAGRA探测到的碰撞黑洞。这些设施共同组成了国际LVK合作组织。随着这些新增，已确认的引力波探测总数现已达到390个。

扩展后的星表包含多项里程碑式发现。其中包括第二代黑洞的新证据、有史以来最精确的引力波源天区定位，以及首次对黑洞三种振动模式的测量。

发现背后的数十年工作

格拉斯哥大学的研究人员自20世纪70年代起便参与引力波科学研究。他们的团队在为美国国家科学基金会激光干涉引力波天文台（NSF LIGO）设计超灵敏镜面悬挂系统方面发挥了主导作用，这项技术对于探测引力波引起的时空微小畸变至关重要。

自2015年9月首次直接探测到引力波以来，格拉斯哥的研究人员继续与LVK合作组织的科学家合作，改进探测器性能和数据分析技术。随着仪器灵敏度的不断提高，发现的数量也在持续增长。

在观测运行期间，该网络现在每周探测到大约三到四个引力波事件。科学家预计，随着未来的升级提高探测器灵敏度，这一速率还将进一步上升。

该合作组织在采集科学数据的观测运行与致力于探测器调试和升级的阶段之间交替进行。由于这种周期，经过验证的引力波星表（包括源属性和其他测量数据）通常每六个月左右更新一次并与科学界共享。

引力波研究所研究员Daniel Williams博士是LSC致密双星科学工作组的联合主席。他表示：

"这次大规模更新再次拓宽和加深了我们对宇宙的认识，让我们得以更多地窥见那些最难以捉摸的天体：碰撞黑洞。

"仅仅十年前，我们才首次探测到来自这类事件的引力波，而如今我们能够探测和分析数百个此类事件，这真正证明了世界各地数百名科学家的努力成果。

"在格拉斯哥，我们一直走在开发新技术以提高探测器灵敏度的前沿，使我们能够更清晰地观测到更多此类信号，并探测到比十年前更遥远碰撞产生的信号。我们还主导开发了关键分析方法，使我们能够从每个信号中提取如此多的信息：解码距离地球数十亿光年的碰撞黑洞的属性，而这一切都源于使我们的探测器偏移原子核大小一小部分的测量。"

破纪录的引力波发现

除了大幅增加已知引力波事件的数量外，GWTC-5还包含多项为该领域创下全新纪录的观测结果。

其中亮点包括有史以来定位最精确的引力波源、有记录以来最清晰的引力波信号，以及支持第二代黑洞存在的更多证据。

一个特别重要的事件被称为GW240615，于2024年6月15日由美国的两座LIGO天文台和意大利的Virgo共同探测到。这次观测实现了迄今为止所有引力波源中最精确的天区定位。

科学家将其起源范围缩小至仅6平方度的区域，这是天空中极小的一块区域。该事件产生于两个质量分别约为太阳26倍和30倍的黑洞在距地球超过30亿光年处的合并。

测量宇宙膨胀

引力波研究所的研究生Alex Papadopoulos解释说，扩展后的星表也在帮助科学家解决宇宙学中一个最大的未解之谜：宇宙膨胀得有多快。

他表示：

"更新的GWTC-5.0星表为我们提供了更丰富的引力波信号集合，有助于回答宇宙学中最大的问题之一：宇宙膨胀得有多快？

"这种膨胀速率由一个称为哈勃常数的数值描述。引力波使我们可以通过估算合并天体的距离来测量这一常数，既可以直接从信号本身估算，也可以通过识别合并发生的星系来确定。

"与以往星表相比，GWTC-5.0的一个主要改进是纳入了Virgo探测器的观测数据，该探测器在未参与上一轮观测运行后重新加入。有了这台额外的探测器，我们可以更精确地定位引力波信号在天空中的位置，从而更容易识别每次合并的宿主星系。我们扩展的探测库还意味着我们可以在分析中使用236个信号，几乎是之前数量的两倍。每个事件贡献少量信息，因此这些额外的信号共同显著改善了我们的结果。

"这些改进共同帮助我们比以往更精确地利用引力波测量哈勃常数，使我们更接近理解现代物理学中最重要的开放性问题之一。

"在格拉斯哥，我们开发并测试了相关软件，使分析速度比以前快了一千多倍，即使星表中的引力波信号数量不断增长也是如此。这种加速使我们能够测试更多可能的情景，并在我们引力波研究所的协调领导下，确保我们的结果尽可能稳健可靠。"

有史以来探测到的最清晰引力波信号

发现引力波远不止简单地记录一个信号。科学家必须将时空中的微弱涟漪与探测器中持续存在的背景噪声区分开来。这一过程需要复杂的数据分析，这也是研究人员使用信噪比（SNR）来描述信号强度的原因。

新星表中的事件包括有史以来观测到的最清晰引力波。该信号的信噪比达到76.9，是有记录以来最强的探测信号。

该信号被称为GW250114，于2025年1月14日抵达地球。它是由两个质量非常接近（分别为太阳质量的32倍和34倍）的黑洞在超过10亿光年外合并产生的。

由于该信号异常清晰，研究人员能够使用引力波进行有史以来最详细的一些测试。其中包括迄今为止最精确的广义相对论测试，以及对斯蒂芬·霍金黑洞面积定理的证实。

格拉斯哥大学分析黑洞信号的学者John Veitch博士表示：

"借助GW250114的高信噪比，我们能够比较黑洞合并前后的弯曲时空，发现事件视界（'不归'面）的总面积按照霍金的黑洞力学定律增加了。

"合并后，最终的黑洞像钟一样振动，发出的是引力波而非声音。分析这些波证实，尽管在合并过程中以引力波形式释放了能量，但黑洞的总熵按照热力学第二定律增加了。这表明即使对于黑洞，热力学定律仍然适用，但与普通物体不同的是，它们蕴含的能量越多，温度就越低。"

第二代黑洞的证据

该星表还突出了在2024年末相隔仅一个月探测到的两次不寻常的黑洞合并。

第一个事件GW241011发生在距地球约7亿光年处。第二个事件GW241110发生在约24亿光年外。

研究人员发现，这些黑洞的自旋（即其旋转的方向和速度）表明这些天体可能是第二代黑洞。这些黑洞可能不是直接由恒星坍缩形成，而是由早期的黑洞合并产生，之后再次发生碰撞。

科学家认为，此类重复合并最可能发生在拥挤的环境中，如致密恒星团，那里的黑洞有许多机会相互作用并最终碰撞。

建立黑洞种群普查

随着引力波探测数量的持续增长，研究人员可以超越对单个事件的研究，开始审视整个宇宙中黑洞的更广泛种群。

伴随GWTC-5发表的科学论文中，有一篇专门聚焦于识别数百个黑洞系统中的模式，以及这些模式所揭示的关于这些天体如何形成的信息。

引力波研究所的研究生Storm Colloms表示：

"我一直参与团队利用最新的观测数据来理解产生合并黑洞和中子星的过程。我们研究了267个源，包括104个新观测。这组数百个观测使我们能够自信地测量双黑洞的质量、自旋和距离，并探究这些属性之间的相关性。我们发现，不同质量范围的黑洞具有不同的自旋，表明存在不同的形成路径，它们创造了独特的系统群组。

"此前发表的观测GW241011和GW241110——两对具有清晰测量高自旋和质量不等的黑洞——已经暗示了这一趋势。这两次观测显示出特征性迹象，表明每对中较大的黑洞并非直接由大质量恒星形成，而是由两个黑洞的先前合并形成。由先前合并形成的黑洞的特征在整个种群中持续存在，表明GW241011和GW241110并非独一无二，而是追溯到一个潜在趋势。现在，我们有越来越多的证据表明，除了来自大质量双恒星的途径外，宇宙还有其他方式产生合并黑洞。

"对引力波源种群的最新测量继续使我们更清晰地描绘双黑洞和中子星的起源图景。随着即将到来的观测运行和更灵敏的探测器，我们将获得对单个源更精确的测量，并增加星表中的源数量，使我们能够探究越来越详细的致密天体形成天体物理学。"

引力波天文学的新时代

引力波探测的快速增长正在改变天文学家研究宇宙的方式。研究人员不再只关注少数几个特殊事件，而是拥有数百个可供比较的观测结果，使他们能够揭示黑洞和其他致密天体如何形成和演化的更大模式。

据Daniel Williams博士介绍，不断增长的星表代表了引力波天文学所能实现目标的根本性转变。

他表示：

"我们现在探测到的信号如此之多，我们不仅仅是在了解单个碰撞；这在天文学上相当于发现了一个古老文明。今天的新结果就像发现了一个此前未知的宝藏，揭示的不仅是个体生命，而是一个整个失落世界的结构。"

随着引力波天文台的持续改进，科学家预计发现的速度将进一步加快。更灵敏的探测器将捕获更多的黑洞和中子星合并，产生越来越精确的测量结果，并为探索宇宙中一些最极端的天体提供新见解。

GWTC-5的发表标志着国际引力波界的又一个里程碑。除了为科学记录新增161项探测外，该星表还提供了前所未有的数据集，研究人员可利用它研究黑洞演化、在极端条件下检验物理定律，并完善对膨胀宇宙的测量。

格拉斯哥大学对本工作的贡献得到了英国研究与创新署（UKRI）科学技术设施委员会（STFC）的资助支持。其他获得STFC支持的英国引力波研究小组包括伯明翰大学、剑桥大学、卡迪夫大学、伦敦国王学院、诺丁汉大学、朴茨茅斯大学、谢菲尔德大学、斯特拉斯克莱德大学、伦敦大学学院、伦敦玛丽女王大学和西苏格兰大学。