重力波為黑洞提供「宇宙DNA檢測」

從人的一般特徵，就能知道很多關於其血統的線索。小孩可能遺傳了父親的眼睛、母親的笑容，甚至有可能繼承祖父的雄性禿（謝啦，爺爺）。

然而，黑洞能用以辨識的特徵卻不多。就像理論物理學家約翰·惠勒所說：「黑洞無毛」（跟在下頗為相似）。當然啦，光靠外貌特徵來檢測小孩的親子關係，實在太主觀了，這時DNA檢測就派上用場了。此類檢測能以更科學的方式查明一個人的血統。而新研究表明，黑洞也能有類似的血統檢測方法。

不同於依靠口腔黏膜擦拭或少量血液，這些宇宙DNA檢測利用的是時空結構中的微小漣漪——重力波。重力波是110年前由阿爾伯特·愛因斯坦首次提出的。

由卡迪夫大學研究人員帶領的科學家團隊發現，由逐漸增大的前身黑洞合併鏈形成的超大質量黑洞，其血統可能隱藏在它們的自轉或「自旋」之中。

此外，該團隊的研究方法表明，這些黑洞的自旋模式可以揭示它們的誕生區域。就算是人類的DNA檢測，也無法告訴你嬰兒是在哪家醫院出生的呢！

像鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座天文臺等設施所探測到的重力波，就可以像讀取出生證明上的文字一樣，「讀取」這些資訊。

團隊成員、劍橋大學研究員伊澤貝爾·羅梅羅 - 肖在一份宣告中表示：「我們的研究為識別黑洞形成歷史的起源，提供了一種強大的、基於資料的方法。研究表明，黑洞的自旋方式是它是否屬於一組高質量黑洞的有力指標。這些高質量黑洞形成於恆星密集的星團中，在那裡，小型黑洞會不斷相互碰撞併合併。」

當科學家發現有些黑洞質量太大，不可能以常見方式——由垂死恆星產生時，黑洞的血統就成了一個有趣的問題。

質量在太陽10到100倍之間的恆星質量黑洞，是在比太陽質量更大的恆星，其核心用盡核聚變所需的燃料時誕生的。隨後，這些恆星在自身引力的作用下坍縮。

然而，超大質量黑洞的質量相當於數百萬甚至數十億個太陽。沒有哪一顆單獨的恆星坍縮能形成如此巨大的黑洞，因此有人提出理論，認為它們是由較小的黑洞合併形成的。

2015年，LIGO和室女座天文臺首次探測到了黑洞合併產生的重力波。這距離愛因斯坦在其引力理論（即廣義相對論）中預言重力波，已經過去了100年。此次探測以及此後這些設施「聽到」的大量黑洞合併事件，都有助於證實這個「合併增長」理論。

廣義相對論預言，有質量的物體會使時空結構發生「扭曲」。引力就源於這種扭曲。

愛因斯坦還預言，當物體在時空中加速時，會產生以光速向外輻射的漣漪。然而，只有當涉及的物體質量極其巨大時，這些所謂的重力波才能被探測到，而黑洞就符合這一條件。黑洞的合併與重力波的發射有著內在聯絡。

一旦黑洞靠得足夠近，形成相互圍繞旋轉的雙星系統，這種持續的加速（加速度是速度和方向的變化，所以圓周運動代表著持續的加速度）就會使時空結構因重力波而振動。

當這些雙星系統發射重力波時，時空中的這些漣漪會帶走角動量。這會導致雙星系統收緊，換句話說，就是黑洞之間的距離會拉近。

這使得雙星黑洞發射重力波的速度越來越快，或者說頻率越來越高，意味著它們越靠越近。這種情況會一直持續，直到這些黑洞的相互引力佔據主導，迫使它們相互靠近、碰撞併合併。

這種合併會產生一個比其「父母」質量更大的「子代」黑洞，但由於在高頻重力波的「尖叫」中會有質量損失，所以其質量並不完全等於「父母」質量之和。

卡迪夫大學物理與天文學院的團隊負責人法比奧·安東尼尼在宣告中表示：「隨著我們利用LIGO和室女座天文臺等重力波探測器，觀測到越來越多的黑洞合併事件，越來越清楚的是，黑洞呈現出多樣的質量和自旋，這表明它們可能以不同的方式形成。然而，要確定哪種形成情景最為常見，一直是個挑戰。」

為瞭解開這個謎團，該團隊研究了LIGO和室女座天文臺探測到的69次重力波事件的資料。

他們發現，當黑洞達到一定質量時，其自旋會發生變化。這代表著一個明確的質量臨界值，在這個臨界值上，黑洞的自旋會不斷變化。該團隊發現的模式與一些模型相符，這些模型認為黑洞是在恆星密集的星團中，透過不斷碰撞而增長的。

——在距地球129億光年處發現超大質量黑洞，而且它正朝著我們發射一束能量。

——重力波暗示了大爆炸一個「超酷」的秘密。

——天文學家發現數百個「隱藏」的黑洞，而且可能還有數十億甚至數萬億個。

利用這些發現，科學家現在可以完善用於模擬黑洞形成和演化的計算機建模技術。

未來，當LIGO、室女座天文臺、擬建的地下重力波天文臺「愛因斯坦望遠鏡」，以及即將推出的太空重力波探測器LISA（鐳射干涉空間天線）等設施探測到重力波訊號時，這些完善的模型可以用來更好地解讀這些訊號。

團隊成員、芝加哥大學研究員託馬斯·卡利斯特在宣告中表示：「與其他研究人員合作，並使用先進的統計方法，將有助於證實和拓展我們的發現，尤其是在我們邁向下一代探測器的過程中。例如，愛因斯坦望遠鏡可以探測到質量更大的黑洞，並為它們的起源提供前所未有的見解。」

該團隊的研究成果於週二（1月7日）發表在《物理評論快報》雜誌上。

原文釋出於Space.com。