大约三十亿年前，当地球还是一个充满活力的海洋世界，点缀着原始大陆，仅有单细胞生物居住时，一对黑洞在宇宙遥远的区域螺旋式合并并碰撞，留下了一个比我们的太阳重约 50 倍的黑洞。整个事件没有发出任何光芒，本应永远消失在虚空中。
然而，这对黑洞最后时刻和最终合并的无形暴力是如此巨大，以至于震撼了现实本身的结构，发送出引力波——时空中的涟漪——以光速向外传播。在 2017 年 1 月 4 日的清晨，这些波浪冲刷了我们现代的地球，进入了有史以来最精确的科学仪器，即先进激光干涉仪引力波天文台 (LIGO)。在那里，波浪移动了真空绝缘、激光照射的镜子的位置，移动距离小于单个亚原子粒子的半径。这些波浪以光速传播，首先扰动了在华盛顿州汉福德设置的 LIGO 镜子，然后在三毫秒后穿过路易斯安那州利文斯顿的第二组镜子。来自每个站点的移动镜子同步并转换为可听频率，宇宙震动的引力波听起来像一声柔和的“啁啾”。通过分析它，研究人员正在梳理出关于黑洞隐秘生活的非凡且原本无法获得的细节。LIGO 团队成员于周四宣布了这些发现，这些发现描述在《物理评论快报》中。
尽管听起来难以置信，但收听这样的啁啾声正变得司空见惯。引力波是爱因斯坦在一个多世纪前首次预测的，作为他的广义相对论的推论，长期以来被认为超出了观测范围——如果不是完全不存在的话。但是，来自 1 月 4 日的啁啾声，被称为“GW170104”，实际上是 LIGO 第三次也是最远距离探测到的引力波，来自大约 30 亿光年之外的某个地方。在此之前，2015 年末分别探测到的另外两次事件也发出了啁啾声，每次事件都发生在更近的地方，但仍然超过十亿光年之遥。
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其他宇宙现象，例如银河系中的超新星和我们银河系邻域中碰撞的中子星，也应该产生可探测的引力波，每种引力波都伴随着各自的革命性见解，但到目前为止，LIGO 的所有三次探测都是来自宇宙遥远区域合并黑洞对的临终哀鸣。
引力彩虹？
目前，世界各地成千上万的科学家正在充分利用 LIGO 有限的视野和该项目的三个已确认的探测结果。虽然每次啁啾声的“响度”清楚地传达了每次事件与我们的距离，但 LIGO 的双站目前只能模糊地限制其天体来源，这些来源可能位于包含成千上万个大型星系的巨大天区内。理论家们如此渴望获得关于黑洞和相对论过程的新见解，以至于每次 LIGO 探测到事件时，天文观测学家都会立即采取行动，瞄准那些巨大的天空区域，希望能看到一些余辉或其他电磁辐射的发射——即使按照定义，由此产生的更大的黑洞应该不会发光。
幸运的是，即使没有光，合并的引力波也揭示了很多信息。LIGO 团队成员已经利用前两次啁啾声的十亿光年星系际穿越，寻找引力波传播中“色散”的迹象——这种现象类似于光线穿过棱镜时如何根据波长分散形成彩虹。根据爱因斯坦的广义相对论，引力波应该根本不会经历色散——而任何偏离该预测的情况都表明爱因斯坦对宇宙的相对论计算在某种程度上是不正确的，这可能会为物理学的新突破指明方向。任何色散的迹象都应该在 LIGO 的第三次事件 GW170104 中显而易见，因为它的引力波传播了 30 亿光年，而不是 LIGO 前两次事件的 10 亿光年。但是当研究人员观察时，他们没有看到引力彩虹。“我们非常仔细地测量了这种效应，”宾夕法尼亚州立大学和卡迪夫大学的 LIGO 团队成员班加罗尔·萨蒂亚普拉卡什说。“但是我们没有发现任何色散，再次未能证明爱因斯坦是错误的。”
研究人员还利用同样的测量方法，专注于引力子的质量，引力子是介导引力的假设粒子。“基本上我们正在一个新的体系中测试广义相对论，”佐治亚理工学院物理学家、LIGO 副发言人劳拉·卡多纳蒂说。“事实上，这次事件的距离是前两次事件的两倍，这为我们提供了更长的基线来测试色散关系，因此我们现在对引力子质量的限制比我们之前设定的限制收紧了 30%。可以说我们正在对广义相对论进行越来越严格的测试——它仍然成立，但随着更多信号的出现，我们可能会发现一些不太一致的东西。”
神秘的中量级合并
虽然 LIGO 的最新事件可能是爱因斯坦广义相对论这座巍峨大厦中的一块砖，但它也在重塑我们对黑洞理解的基础。在 LIGO 的探测之前，天文学家只对两种黑洞进行了明确的观测：一种是从恒星形成的黑洞，这些恒星被认为质量上限约为 20 个太阳质量；另一种是在大型星系核心的超大质量黑洞，其来源仍然不确定，质量是太阳的数百万或数十亿倍。两者都被认为对于理解星系的形成和演化很重要，因此在某种程度上对于理解星系包含的一切事物的形成和演化也很重要——包括恒星、行星和人类。LIGO 合并事件中的大多数黑洞都是中量级的，比 20 太阳质量的上限重，但比超大质量黑洞轻得多，这引发了关于它们的起源以及与两个研究充分的黑洞群体的关系的问题。
对于 LIGO 庞大黑洞的普遍解释是，它们是由非常巨大的恒星形成的，这些恒星也非常原始，几乎完全由氢和氦组成，几乎没有任何更重的元素。大多数如此巨大的恒星都会有更多的重元素，导致它们通过高速风失去大部分质量，而“低金属丰度”恒星的风会较弱，并保留更多的恒星物质，最终通过坍缩结束生命，成为超大型恒星黑洞。
一种传统的理论认为，制造 LIGO 的合并黑洞对需要两颗质量大、低金属丰度的恒星的“双星演化”，这两颗恒星成对形成。例如，如果这两颗恒星非常靠近，在它们的生命历程中，它们可以循环往复地交换大气中的气体，从而使它们的轨道更加靠近，并最终产生两个紧密环绕的超大型黑洞。在这个过程结束时，两个黑洞的自旋和轨道将变得密不可分地联系在一起，因此每个黑洞的赤道都将与它们共享的轨道平面对齐。
卡多纳蒂解释说：“将黑洞想象成龙卷风，它们拖动恒星和物质在它们周围旋转。”“现在想象一下两个黑洞彼此环绕，每个黑洞都顺时针或逆时针旋转，”与轨道运动对齐。具有这种对齐方式的两个黑洞将比未对齐的黑洞对拥有更多的旋转能量，因此在它们合并的最后时刻需要稍微长一点的时间才能聚结在一起。GW170104（LIGO 的最新发现）最深奥的谜团在于，合并发生得太快，以至于其两个前身黑洞都无法如此对齐；用卡多纳蒂的比喻来说，至少其中一个环绕的“龙卷风”必定反常地倾斜在侧面或几乎在侧面。
对于具有这种“自旋未对齐”的黑洞对，最常见的解释是它们并非来自孤立双星的双星演化。相反，每个黑洞都必须独立形成，并在宇宙中游荡数百万或数十亿年后以某种方式找到了它们的伴侣。西北大学物理学家弗雷德·拉西奥（并非 LIGO 合作组织成员）表示，通过这种“动力形成”渠道进行的最终结合最有可能发生在被称为球状星团的稠密星群中。“想象一下，将一千个黑洞扔进一个群魔乱舞的坑里，在那里它们像疯了一样互相踢来踢去，”拉西奥说。“它们的自旋将被随机化。动力学不在乎黑洞朝哪个方向旋转，因此当它们结合成一对并合并时，它们的自旋与它们的轨道方式无关。”
来自大爆炸的黑洞？
一些理论家认为，对 GW170104 奇怪的未对齐现象的最佳解释是，它的黑洞根本不是从恒星开始形成的。马德里自治大学教授胡安·加西亚-贝利多（并非 LIGO 合作组织成员）是 LIGO 反常重、奇怪未对齐的合并黑洞实际上是假定的“原始黑洞”群体的一部分这一非正统观点的 ведущий 倡导者。这种奇异的物体不是来自恒星，而是可能在大爆炸后的最初时刻出现，从当时弥漫宇宙的炽热等离子体雾中特别稠密的区域合并而成。如果聚集在星团中，原始黑洞也可能形成自旋未对齐的合并对。
然而，将原始起源归因于 LIGO 观测到的一些或所有黑洞还有一个额外的复杂之处——这可以被视为该理论最诱人的特征，也可以被视为一个讨厌的漏洞。加西亚-贝利多和其他人说，原始黑洞星团足够稠密以产生 LIGO 新发现的合并星团，也可能成为暗物质之谜的自然解决方案——暗物质是宇宙物质中神秘且不可见的 80%，天文学家仅通过其对星系中发光恒星和气体的引力效应才能看到它。
“这种想法是 [原始黑洞] 将集中在我们能看到的物质周围的光环中，”LIGO 汉福德天文台负责人迈克尔·兰德里在最近的新闻发布会上回答问题时总结了这个推测性的概念。“我们所看到的有可能是构成暗物质的原始黑洞。”另一方面，兰德里补充说，一些偶尔寻找银河系周围原始黑洞光环的天文学家团队尚未找到证据表明它们以足够的数量存在，以解释暗物质的影响。来自大爆炸的黑洞是否解释了暗物质——更不用说 LIGO 的结果了——“仍然是一个悬而未决的问题，”兰德里说。
聆听黑洞交响曲
无论是通过双星演化、动力配对、大爆炸还是完全其他方式诞生，LIGO 神秘黑洞合并的真正起源可能很快就会揭晓。该合作组织目前最好的猜测是，在边长略超过 30 亿光年的立方体空间中，每年发生大约 12 到 213 次这样的合并。这表明 LIGO——目前正在进行升级以提高其灵敏度，并计划在印度建立一个新的站——最终可能会以每天一次到每周一次的频率探测到来自黑洞合并的啁啾声。Virgo 的升级也在进行中，Virgo 是一个灵敏度接近 LIGO 的伴生引力波天文台。最早在今年夏天，这两个项目将同时监测天空，以更好地定位任何新的天体引力隆隆声的起源。除了 LIGO 和 Virgo 之外，其他天文台也可能在未来几年内在世界各地首次亮相，创建一个环球网络，用于更精细的引力波搜索。到 2020 年代，来自如此多合并黑洞对的啁啾声将变得如此快速和猛烈，以至于它们的声音可能会形成一场交响曲。
“我们无法通过一两个黑洞双星来区分不同的模型，”萨蒂亚普拉卡什说。“只有通过大量的探测，我们才能获得自旋和质量的分布。这就是形成机制之间的差异将变得清晰的地方。”非常重、未对齐的黑洞对可能非常罕见，这加强了大多数合并来自孤立双星系统的观点——或者它们可能很常见，这表明起源更稠密、更具动力性。加西亚-贝利多说，如果在 LIGO 合并事件中，任何黑洞被证明重量小于我们的太阳，这将是原始黑洞的“确凿证据”，因为据认为，如此小的黑洞不可能由恒星形成。
“在我们的发现之前，我们甚至不确定这些 [中量级]黑洞是否存在，”卡多纳蒂在宣布 GW170104 的新闻发布会上说。“我们现在知道的是，首先，它们确实存在，它们可能在早期宇宙中发挥了重要作用，我们现在开始了解它们的行为……这真的为我们打开了一扇了解宇宙的新窗口，我们正在更多地了解我们从哪里来。这才是真正的兴奋之处。”