许多黑洞拥有"前世"，新研究揭示
当一颗恒星死亡时，黑洞便随之诞生。长期以来，这被视为大多数黑洞的标准起源故事：在大质量恒星生命终结时，其外层在壮观的超新星爆发中飞散，核心则坍缩成一个引力极强的致密区域，形成黑洞。
引力波探测器的最新发现揭示了宇宙中数百对正在合并的黑洞。人们普遍认为，其中许多黑洞直接来源于恒星爆炸。但黑洞也可以由其他更小的黑洞产生——此前黑洞合并的产物在理论上可以再次合并，形成质量更大的黑洞。这种"黑洞孕育黑洞"的替代路径被称为"层级合并"。
麻省理工学院的科学家们现在发现，相当数量的合并黑洞此前确实经历过合并。他们对LIGO、Virgo和KAGRA天文台的最新数据进行了分析，数据涵盖155对双黑洞系统，结果发现宇宙中约14%的合并黑洞实际上可能是由两个较小黑洞合并而成的第二代黑洞。
该团队本周在《物理评论快报》上发表了这一研究成果，表明反复的层级合并是黑洞形成的重要途径。
"我们发现，对于其中一些合并黑洞来说，这并非它们的'初次亮相'，"研究第一作者、麻省理工学院物理系研究生凯琳·普伦基特说，"总体而言，宇宙中的黑洞一直在不断合并。它们反复合并的频率此前相当不确定。现在我们看到了一幅相对清晰的图景：有相当比例的黑洞来自这种反复合并的路径。"
研究合著者包括麻省理工学院物理学副教授萨尔瓦托雷·维塔莱、威廉姆斯学院的托马斯·卡利斯特，以及阿德勒天文馆和西北大学的迈克尔·泽文。
不对称的配对
当一颗大质量恒星坍缩死亡时，所形成的黑洞自旋应该极小。恒星在爆炸中不仅损失了大量质量，其固有自旋（即角动量）也会大幅减少，留下的黑洞自旋几乎为零。
相比之下，当两个黑洞合并时，碰撞会产生一个高速旋转的第二代黑洞。
"它们的自旋速度非常快，约达到最大可能自旋的70%，"维塔莱说。
科学家们推测，层级合并发生在恒星密集的环境中——在那里，恒星排列极为紧密，多颗相邻恒星可能相继死亡并坍缩成黑洞，这些黑洞彼此距离足够近，可以合并形成第二代黑洞。
"你可能会看到大量恒星相互绕行，其中一些质量较大的恒星爆炸后变成黑洞。这些黑洞继续运动，可以相互捕获并合并，"普伦基特说，"由于这种极度密集的环境中存在大量恒星和黑洞，这一过程理论上可以无限重复。"
层级合并的一个标志是：在一对合并黑洞中，其中一个黑洞的自旋和质量远高于另一个。这种不对称的组合意味着，至少有一个黑洞来自两个前代黑洞的碰撞。
2024年，科学家们在LIGO、Virgo和KAGRA天文台记录的信号中探测到了两例此类不对称合并事件。这些天文台通过探测引力波——时空结构中极其微小的涟漪——来捕捉遥远宇宙现象（如黑洞碰撞）留下的回响。
天文台探测到两个引力波信号，分别标记为GW241011和GW241110，每个信号中都可能包含一个自旋速度远超其伴星的黑洞。通过对每个信号进行详细分析，科学家们提取出了各次合并中黑洞的具体质量和自旋参数，从而发现了这两例层级合并事件。
这项工作启发了普伦基特和维塔莱，促使他们利用天文台迄今捕获的所有引力波信号，对类似的层级合并事件展开系统搜索。
涟漪的规律
在这项新研究中，团队分析了LIGO-Virgo-KAGRA引力波瞬变目录4.0版（GWTC-4.0），该目录收录了天文台第四次观测运行期间的引力波探测数据。与科学家逐一分析GW241011和GW241110信号的方式不同，普伦基特和维塔莱在整体数据中搜寻层级合并的特征规律，以判断是否有匹配信号浮现。
他们搜寻的规律代表一系列轨道"进动"特征。在合并前，两个黑洞在盘状轨道平面内螺旋靠近。当两者的自旋均垂直于该平面时，轨道平面保持相对稳定；但当一个或两个黑洞的自旋不垂直于平面时，轨道盘就会发生摆动。整个轨道平面的摆动程度（即"进动"）可以揭示两个螺旋靠近的黑洞之间质量与自旋的平衡关系。
普伦基特和维塔莱建立了一个模型，用于描述层级合并（特别是第一代与第二代黑洞之间的合并）应呈现的进动范围。
团队将该模型应用于整个GWTC-4.0目录，其中包含153例黑洞合并的引力波信号，以及GW241011和GW241110的信号。分析结果显示，多例合并事件符合由第一代与第二代黑洞碰撞引起的轨道进动规律。
具体而言，他们发现宇宙中约14%的合并黑洞此前可能经历过合并，且这些第二代黑洞具有特定的质量分布：质量约为10个太阳质量和30个太阳质量的黑洞是普通的恒星起源黑洞，而第二代黑洞的质量则约为20个太阳质量，或40个太阳质量及以上。
"40个太阳质量以上的质量区间之所以引人关注，原因之一在于恒星演化理论预测，仅凭超新星爆发根本无法形成这一质量范围的黑洞，"普伦基特说，"我们认为，极大质量恒星的超新星爆发过于剧烈，不会留下任何质量超过约45个太阳质量的黑洞。然而我们确实观测到了如此大质量的黑洞。问题是：它们究竟从何而来？"
团队的新分析为黑洞可通过反复合并形成这一观点提供了支持，表明这种替代起源路径或许能够解释我们今天所探测到的部分奇特黑洞的来源。
本研究得到了美国国家科学基金会和布林森基金会的部分资助。
Q&A
Q1：什么是黑洞的"层级合并"？
A：层级合并是指黑洞并非直接由恒星死亡形成，而是由两个较小的黑洞合并产生。这种合并可以反复发生，每次都形成质量更大的新黑洞。在恒星密集的环境中，多个黑洞彼此靠近，更容易发生这种连锁合并。
Q2：科学家如何判断一个黑洞是"第二代"黑洞？
A：主要依据是黑洞的自旋和质量特征。由恒星直接坍缩形成的黑洞自旋极低，而由两个黑洞合并产生的第二代黑洞自旋极高，约达最大可能自旋的70%。当一对合并黑洞中出现明显的质量和自旋不对称时，就是层级合并的重要信号。
Q3：这项研究对40个太阳质量以上的黑洞有什么新解释？
A：恒星演化理论认为，超新星爆发无法产生质量超过约45个太阳质量的黑洞，但观测中确实存在这类大质量黑洞。这项研究提供了新的解释：这些黑洞很可能是通过层级合并形成的第二代黑洞，而非直接来源于恒星死亡。
