当宇宙中最致密的天体发生碰撞并合并时，会以引力波的形式在时空中激起涟漪。这些信号在传播数亿乃至数十亿年后抵达地球时极其微弱，但仍可被全球引力波观测网络捕捉。

美国国家科学基金会激光干涉引力波天文台（NSF LIGO）、意大利Virgo干涉仪以及日本神冈引力波探测器（KAGRA）共同构成LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）合作组织的观测体系。该网络通过千米级L形干涉仪“聆听”引力场的细微摆动，以识别可能来自遥远天体剧烈并合的信号。

LVK近日发布最新引力波探测汇编——引力波瞬变目录4.0（GWTC-4），相关成果将收录于即将出版的《天体物理学杂志快报》特刊。GWTC-4纳入了第四次观测运行（O4）期间第一阶段（2023年5月至2024年1月）探测到的部分信号。在这九个月内，目录新增128个引力波“候选事件”，意味着这些信号很可能来自极端且遥远的天体源。LVK表示，O4运行中共探测到约300次合并事件，但并非全部已收录于本次目录。

随着这批数据加入，引力波目录的规模较此前显著扩大。此前目录仅包含前三次观测运行合计的90个候选事件。

LVK成员、麻省理工学院科学学院院长兼柯蒂斯与凯瑟琳·马布尔天体物理学教授Nergis Mavalvala表示，引力波探测器灵敏度的提升以及更强大的分析技术，使合作组织得以开展更丰富的科学研究。卡迪夫大学教授、LIGO科学合作组织发言人Stephen Fairhurst则称，过去十年引力波天文学已从首次探测发展到观测数百次黑洞合并，这些观测有助于理解黑洞形成、探究宇宙学演化，并对广义相对论提供更严格的检验。

目录显示并合系统类型更为多样

黑洞通常由大质量恒星坍缩形成，常以双星系统存在并在引力作用下逐渐靠近，最终合并并释放以引力波形式辐射的巨大能量。自2015年NSF LIGO首次探测到来自二元黑洞的引力波以来，黑洞并合一直是引力波信号的主要来源之一。

除二元黑洞外，引力波也可由黑洞与中子星并合产生。与两黑洞并合仅产生引力波不同，涉及中子星的事件还可能伴随光信号，从而提供更多可观测信息。LVK在前三次观测运行中曾探测到少数黑洞—中子星并合信号，以及两次双中子星并合。

根据GWTC-4，LVK在O4第一阶段的探测结果显示，引力波来源的二元系统类型更为丰富。更新后的目录除包含黑洞二元系统外，还纳入迄今为止最重的黑洞二元系统、质量不对称的黑洞二元系统、以及两个黑洞自转极快的二元系统，并包含两个黑洞—中子星二元系统。合著者、格拉斯哥大学研究员兼LVK成员Daniel Williams表示，这些结果意味着合作组织正在拓展“参数空间”，发现更大质量、更快自转且更为罕见的现象。

O4第一阶段的部分“异常”信号

LVK通过干涉仪向两条垂直隧道发射激光并测量返回时间差，以识别引力波经过时对光程造成的微小扰动。O4观测运行第一阶段的引力波探测仅依赖LIGO两台干涉仪，分别位于华盛顿州汉福德与路易斯安那州利文斯顿。LVK称，LIGO探测器近期升级后，可探测距离达360兆秒差距（约10亿光年）内的双中子星信号，并可探测更远距离、包含黑洞的二元系统信号。

参与信号搜索的LVK成员、威斯康星大学密尔沃基分校研究生Amanda Baylor表示，引力波进入探测器的时间难以预测，探测频率可能在短时间内密集出现，也可能间隔较长。

在O4第一阶段，LVK报告了多例引人关注的信号。其中，GW231123_135430被描述为迄今探测到的最重黑洞二元系统，科学家估计其源自两颗质量均约为太阳130倍的黑洞并合；而多数已探测到的并合黑洞质量约为太阳30倍。研究人员认为，这对超重黑洞可能由更轻的“祖先”黑洞先前并合形成。

另一信号GW231028_153006被认为对应自转速度最高的黑洞二元系统，两个黑洞自转速度约为光速的40%。科学家同样怀疑其可能与先前并合事件有关，合并过程或使自转加速。此外，GW231118_005626对应一个质量极不对称的黑洞二元系统，其中一颗黑洞质量约为另一颗的两倍。

合著者、LVK成员、麻省理工学院研究生Jack Heinzel表示，当前黑洞样本在质量与自转等属性上呈现广泛分布：既有质量超过太阳100倍的黑洞，也有仅为太阳几倍质量的黑洞；部分黑洞自转迅速，部分则无可测自转。其称，尽管黑洞形成机制仍未完全厘清，但观测正在为相关问题提供关键线索。

用引力波数据检验理论并开展宇宙学测量

LVK成员、麻省理工学院物理副教授兼MIT LIGO实验室成员Salvatore Vitale表示，新数据增强了一个认识：宇宙早期发生并合的黑洞自转速度可能更大，这也引出了关于早期宇宙条件如何促使黑洞自转加速的问题。

在基础物理方面，LVK称引力波观测为检验爱因斯坦广义相对论提供了机会。合著者、德克萨斯大学奥斯汀分校物理副教授Aaron Zimmerman指出，黑洞是广义相对论的重要预测之一，而黑洞并合会以极端方式扰动时空，有助于在最极端条件下检验理论。

LVK还提到，研究人员利用GW230814_230901——迄今观测到的“最响亮”引力波信号之一——对广义相对论进行了测试。由于该信号清晰，团队得以更细致地检验其是否偏离理论预测。LVK表示，大多数测试结果顺利通过，但也显示在极端情况下环境噪声可能带来挑战。Zimmerman称，截至目前广义相对论通过了所有测试，但为了应对不断增长的数据量，需要更精确的理论预测。

在宇宙学应用上，LVK表示，引力波还可用于独立估计哈勃常数。合著者、格拉斯哥大学讲师Rachel Gray称，合并黑洞的距离可通过信号分析相对直接地推断，因此每个并合事件都可提供一个哈勃常数测量值，汇总多个事件有助于提升精度。

LVK称，通过分析整个目录中的引力波探测，研究人员给出了一个新的独立哈勃常数估计值：宇宙膨胀速度约为每秒76公里每兆秒差距。Gray表示，该方法仍处于早期阶段，随着探测到更多引力波源，测量精度有望提升。

目录分析负责人、加州理工学院LIGO实验室博士后Lucy Thomas表示，每一次新的引力波探测都在以十年前难以想象的方式推动对宇宙问题的研究。

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