引力波为黑洞提供“宇宙 DNA 测试”

超大质量黑洞边界内黑洞合并的插图（图片来源：Robert Lea（与 Canva 一起创建））

你可以从一个人的一般特征中了解很多关于人类的祖先的信息。孩子可以有爸爸的眼睛、妈妈的笑容，甚至可能是爷爷的男性型秃发（谢谢，爷爷）。

然而，黑洞几乎没有定义性的特征——正如理论物理学家约翰·惠勒 （John Wheeler） 所说，“黑洞没有头发”（很像你谦逊的作者）。当然，根据身体特征测试孩子的亲子关系太主观了——这通常是 DNA 测试的用武之地。这种测试可以提供一种更科学的方法来检查一个人的血统，新的研究表明对黑洞进行类似的祖先测试。

然而，这些宇宙 DNA 测试并不依赖于脸颊拭子或少量血液，而是利用时空结构中称为引力波的微小涟漪，由阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 在 110 年前首次提出。

由卡迪夫大学（University of Cardiff）的研究人员领导的一个科学家团队发现，由逐渐变大的祖先黑洞的合并链形成的超大质量黑洞的祖先可能隐藏在它们的旋转或“自旋”中。

此外，该团队的方法表明，这些黑洞的自旋模式可以揭示它们诞生的太空区域。即使是人类 DNA 测试也无法告诉你婴儿是在哪家医院分娩的！

激光干涉仪引力波天文台 （LIGO） 和室女座天文台等设施检测到的引力波可用于“读取”这些信息，就像出生证明上的文字一样。

“我们的研究为我们提供了一种强大的、数据驱动的方法来确定黑洞形成历史的起源，表明它的旋转方式是它属于一组大质量黑洞的有力指标，这些黑洞形成于人口密集的星团中，小黑洞反复碰撞和合并。”“团队成员、剑桥大学研究员伊索贝尔·罗梅罗-肖（Isobel Romero-Shaw）在一份声明中说。

质量在太阳 10 到 100 倍之间的恒星质量黑洞是在质量比太阳大得多的恒星耗尽其核心核聚变所需的燃料时诞生的。随后，这些恒星在自身引力的影响下坍缩。

然而，超大质量黑洞的质量相当于数百万甚至数十亿个太阳。没有一颗恒星可以坍缩形成如此巨大的黑洞，因此理论上它们是由较小的黑洞合并形成的。

2015 年，LIGO 和 Virgo 首次探测到合并黑洞产生的引力波，距离爱因斯坦在他的引力理论（称为广义相对论）中预测引力波已经过去了 100 年。这一点以及这些机构此后“听到”的大量合并有助于证实这种“通过合并实现增长”的理论。

艺术家对两个黑洞在合并前相互旋转的概念。（图片来源：NASA）

广义相对论预测，具有质量的物体会导致空间和时间的结构或时空“扭曲”。重力来自这种翘曲。

爱因斯坦还预测，当物体在时空中加速时，这会导致以光速向外辐射的涟漪。然而，这些所谓的引力波只有在所涉及的物体确实是大质量时才能被检测到——而黑洞符合要求。黑洞的合并与引力波的发射有着内在的联系。

一旦黑洞靠得足够近，在相互旋转时形成一个双星，这种恒定的加速度（加速度是速度和方向的变化，所以圆周运动代表永恒的加速度）使时空结构充满引力波。

当这些双星系统发射引力波时，时空中的这些涟漪会带走角动量。这会导致二进制文件收紧。换句话说，黑洞靠得更近。

这会导致双黑洞发射引力波的速度越来越快或频率越来越高，这意味着它们越来越近。这种情况一直持续到这些黑洞的相互引力接管，它们被迫聚集在一起，碰撞和合并。

这次合并产生了一个子黑洞，它的质量比其母黑洞的更大，但由于引力波的高频“尖叫”中的质量损失，它的质量并不完全是它们的质量总和。

双黑洞像带有引力波的钟声一样响起时空的插图。（图片来源：ESA–C.Carreau）

“随着我们用 LIGO 和 Virgo 等引力波探测器观察到更多的黑洞合并，越来越明显的是，黑洞表现出不同的质量和自旋，这表明它们可能以不同的方式形成，”卡迪夫大学物理与天文学院的团队负责人法比奥·安东尼尼 （Fabio Antonini） 在声明中说。“然而，确定这些阵型情景中哪一种最常见一直具有挑战性。”

为了解开这个谜团，该团队研究了 LIGO 和 Virgo 探测到的 69 次引力波事件的数据。

他们发现，当黑洞达到一定质量时，黑洞的自旋会发生变化。这表示一个明确的质量阈值，在该阈值上，黑洞的自旋会不断变化。该团队发现的模式与表明黑洞是通过密集星团中的重复碰撞而生长的模型相吻合的。

利用这些发现，科学家现在可以改进用于模拟黑洞形成和生长的计算机建模技术。

当 LIGO、Virgo、拟议中的地下引力波天文台（称为爱因斯坦望远镜）和即将推出的天基引力波探测器 LISA（激光干涉仪空间天线）等设施检测到未来的引力波信号时，这种改进的模型可用于更好地解释这些信号。

“与其他研究人员合作并使用先进的统计方法将有助于确认和扩展我们的发现，尤其是在我们转向下一代探测器的情况下，”团队成员、芝加哥大学研究员托马斯·卡利斯特在声明中说。“例如，爱因斯坦望远镜可以探测到更大质量的黑洞，并为它们的起源提供前所未有的见解。”

该团队的研究于周二（1 月 7 日）发表在《物理评论快报》杂志上。