天文学家首次完成黑洞回冲的全方位测量

引力波（Gravitational Waves，GW）是时空结构中的涟漪，以光速从源头传播，携带着产生它们的剧烈事件的信息。引力波的观测，为科学家们打开了一条全新的研究通道，使其能够探索那些没有光发出的天体物理事件——如黑洞合并，并加深对包括超新星、中子星碰撞等现象的理解。

爱因斯坦早在1916年就预言了引力波的存在，但其信号极其微弱，需要极高灵敏度的探测器和剧烈的宇宙事件，如黑洞合并、超新星爆发，甚至宇宙大爆炸，方能捕捉。直到整整一个世纪后，即2015年9月，美国高级激光干涉引力波天文台（Advanced LIGO）位于汉福德和利文斯顿的观测站，首次记录到了GW150914信号，即两个大约太阳质量30倍的黑洞合并产生的引力波。自此，科学家们已识别出近300起类似事件，得以逐步勾画宇宙黑洞的分布，并在极限条件下检验引力理论。

黑洞合并中最引人注目的现象之一便是回冲（Recoil）。当两个黑洞融合时，残留黑洞会向不同方向不对称地发射引力波，这种不对称导致黑洞受到“踢”，产生可高达每秒几千公里的回冲速度，有时甚至足以令其逃离原本所在的星系。

在首次引力波探测之后十年，圣地亚哥·德孔波斯特拉大学、宾夕法尼亚州立大学和香港中文大学的研究者们首次完成了黑洞回冲速度和方向的完整测量。分析的对象是2019年LIGO和Virgo探测器捕捉到的不等质量黑洞合并事件GW190412。

不同方向发射的引力波在观测者看来各异，这使科学家能够确认我们相对于源头的具体方位。信号的差异除了揭示回冲的方向，还可通过引力理论依据源黑洞的质量和自转来计算回冲速度，从而实现对回冲的全面刻画。

IGFAE研究员、论文第一作者胡安·卡尔德隆-布斯蒂略教授打了个比方：“黑洞合并过程就像一场乐团演奏，其引力波信号是许多‘乐器’的合奏。而坐在不同位置的‘听众’会接收到不同的音色组合，因此可以推断出他们在乐团周围的具体方位。”

团队最终得出，GW190412合并后的黑洞回冲速度超过每秒50公里，足够将其踢出一个球状星团。此外，团队还确定了该回冲方向相对于地球、系统轨道角动量以及合并前几秒双星分离线的具体方位。

“我们在2018年就提出了这一测量方法，当时仅凭现有探测器理论上已能实现‘踢’的测量，而此前其他方法还需要未来十年以上的空间探测器LISA。”胡安教授表示，“只不过当时LIGO和Virgo尚未检测到具备此类‘多乐器合奏’特征的信号，我们预感很快会有机会。没想到一年后就探测到了GW190412，而且果然实现了‘踢’的测量！”

宾夕法尼亚州立大学博士后研究员考斯塔夫·钱德拉补充说：“这是天体物理里极少数不仅仅是‘探测’现象，而是真正重构了一个数十亿光年外天体三维运动的案例，而且仅凭空间涟漪实现，令人震撼。”

测量黑洞回冲的方向，有助于结合引力波与电磁信号观测开展多信使天文学研究。香港中文大学博士生、论文合著者梁森指出：“在致密环境下，黑洞并合残留物穿越如活动星系核（AGN）等高密度区域时可能产生可观测的电磁耀发。耀发的可见性取决于回冲方向和地球的相对方位，因此精确测量回冲，将有助于区分真正源自双黑洞合并的引力波—电磁信号组合，还是仅仅巧合的事件。”

编译自/ScitechDaily