愛因斯坦又雙叒叕對了！
引力波研究人員近日第一次捕捉檢測到質量差異巨大的兩個黑洞之間的碰撞。而碰撞產生出的引力波再次論證了愛因斯坦的重力理論和廣義相對論，也為天體物理學和引力物理學開闢了新的前景。
質量相差三倍的兩個黑洞發生碰撞 | 圖片來自Nature
伊利諾伊州芝加哥大學的天體物理學家瑪雅·菲什巴赫將這次碰撞稱為“天體物理界的大事件”。瑪雅稱，過去捕捉到的類似活動都是發生在在質量大致相等的黑洞之間。
但是最新探測到的情況刷新了科學家的認知。發生碰撞的其中一個黑洞質量超過30個太陽質量，另一個黑洞的質量約為8個太陽質量。質量間的巨大不平衡使得較大的黑洞扭曲了周圍的時空，使得另一方的軌跡偏離了理想的螺旋線。
通常情況下，兩個螺旋旋轉的黑洞會釋放出集中在一個頻率上的引力波：這個引力波頻率是它們軌道頻率的2倍。這種頻率的倍增是由於兩黑洞的質量相差不大。每繞半圈，它們就會回到等效於原來的位置。但是如果黑洞之間有著非常明顯的質量差，那麼根據廣義相對論推測，它們也會在更高的頻率上產生更弱的波，我們把這種波稱為泛音。
這對質量懸殊的黑洞碰撞出的第二強振動頻率是軌道頻率的三倍，也是引力波主頻率的1.5倍。如果主頻率對應的音符是鋼琴上的C鍵，那麼泛音就對應了G。而泛音的強弱大致與廣義相對論所預測的相符，再次論證了愛因斯坦的廣義相對論。
這些打破既定認識的事件將有助於研究人員探究黑洞最初是如何形成的。而兩個巨大的黑洞是如何在極其近距離內互相吸引組合在一起的，仍然是一個困擾科研人員的未解之謎。
對於黑洞的形成和配對，目前科學界有兩種主流的猜測觀點。一種觀點認為這對黑洞可能來自於一對繞軌道運行的大質量恆星，每顆恆星在生命結束時都會坍縮成黑洞。也有學者猜測在所謂的動力學模型中，黑洞可能各自獨立形成，並在宇宙中相互尋找，這種情況更有可能出現在球狀星團中。
波蘭科學院的引力理論家克里斯·貝爾琴斯基認為以上兩種觀點都可能導致此次質量不匹配的黑洞碰撞。“如果它(質量比)是10比1，我就賭動力學模型的猜測是正確的，”他說，”因為雙星系統通常不會以這種扭曲的比例形成“。然而偶發的單項事件還不足以排除其中一種猜想。但是如果科研人員能偶探測到更多類似的質量不匹配情況，那麼數學統計分佈可以表明哪種觀點的準確性更高。
但是約翰·霍普金斯大學的引力波天文學家埃曼努爾·貝爾蒂認為這次黑洞碰撞事件的起源可能更為複雜。一個黑洞比另一個黑洞重得多並且在快速旋轉的情況“看起來像多代合併的產物”。
位於華盛頓州和路易斯安那州的一對激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）和意大利比薩附近的處女座天文臺，都對此次黑洞碰撞事件進行了探測，並將其命名為GW190412。
此前，人類藉助LIGO於2015年9月首次發現了引力波，探測到兩個黑洞螺旋狀地相互碰撞，產生了微小的時空波紋。兩年後，位於意大利的處女座探測器也加入了LIGO的陣營。截至2017年8月，LIGO共進行了十次探測活動：九次黑洞合併和一次中子星發生的碰撞。這些黑洞合併的探測結果有助於解釋宇宙中化學元素的起源。
也許還有很多值得分析的反常情況隱藏在研究人員尚未分析的數十個已記錄的事件中。從2019年4月1日到3月26日，LIGO和處女座的進行了3次觀測，共接收到56次新的引力波事件。威斯康星大學密爾沃基分校的物理學家、LIGO科學合作發言人帕特里克·布雷迪說，LIGO和處女座的研究人員曾計劃對現有數據的一半進行一次全球分析，但是新冠病毒的蔓延暫時中止了計劃實施的步伐。
“我急切地想看到數據分析的結果。”貝爾琴斯基說，“但是我現在只能和我的學生、團隊坐在這裡，一起盼望能早日看到這篇論文問世。”
(董則生對本文亦有貢獻）
參考內容：
1. https://www.sciencemag.org/news/2020/04/gravitational-waves-reveal-unprecedented-collision-heavy-and-light-black-holes#
2. https://www.nature.com/articles/d41586-020-01153-7
圖片來源：
https://media.nature.com/lw800/magazine-assets/d41586-020-01153-7/d41586-020-01153-7_17910610.jpg
