大約三十億年前，當地球還是一個充滿活力的海洋世界，點綴著原始大陸，僅有單細胞生物居住時，一對黑洞在宇宙遙遠的區域螺旋式合併並碰撞，留下了一個比我們的太陽重約 50 倍的黑洞。整個事件沒有發出任何光芒，本應永遠消失在虛空中。
然而，這對黑洞最後時刻和最終合併的無形暴力是如此巨大，以至於震撼了現實本身的結構，傳送出引力波——時空中的漣漪——以光速向外傳播。在 2017 年 1 月 4 日的清晨，這些波浪衝刷了我們現代的地球，進入了有史以來最精確的科學儀器，即先進雷射干涉儀引力波天文臺 (LIGO)。在那裡，波浪移動了真空絕緣、雷射照射的鏡子的位置，移動距離小於單個亞原子粒子的半徑。這些波浪以光速傳播，首先擾動了在華盛頓州漢福德設定的 LIGO 鏡子，然後在三毫秒後穿過路易斯安那州利文斯頓的第二組鏡子。來自每個站點的移動鏡子同步並轉換為可聽頻率，宇宙震動的引力波聽起來像一聲柔和的“啁啾”。透過分析它，研究人員正在梳理出關於黑洞隱秘生活的非凡且原本無法獲得的細節。LIGO 團隊成員於週四宣佈了這些發現，這些發現描述在《物理評論快報》中。
儘管聽起來難以置信，但收聽這樣的啁啾聲正變得司空見慣。引力波是愛因斯坦在一個多世紀前首次預測的，作為他的廣義相對論的推論，長期以來被認為超出了觀測範圍——如果不是完全不存在的話。但是，來自 1 月 4 日的啁啾聲，被稱為“GW170104”，實際上是 LIGO 第三次也是最遠距離探測到的引力波，來自大約 30 億光年之外的某個地方。在此之前，2015 年末分別探測到的另外兩次事件也發出了啁啾聲，每次事件都發生在更近的地方，但仍然超過十億光年之遙。
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其他宇宙現象，例如銀河系中的超新星和我們銀河系鄰域中碰撞的中子星，也應該產生可探測的引力波，每種引力波都伴隨著各自的革命性見解，但到目前為止，LIGO 的所有三次探測都是來自宇宙遙遠區域合併黑洞對的臨終哀鳴。
引力彩虹？
目前，世界各地成千上萬的科學家正在充分利用 LIGO 有限的視野和該專案的三個已確認的探測結果。雖然每次啁啾聲的“響度”清楚地傳達了每次事件與我們的距離，但 LIGO 的雙站目前只能模糊地限制其天體來源，這些來源可能位於包含成千上萬個大型星系的巨大天區內。理論家們如此渴望獲得關於黑洞和相對論過程的新見解，以至於每次 LIGO 探測到事件時，天文觀測學家都會立即採取行動，瞄準那些巨大的天空區域，希望能看到一些餘輝或其他電磁輻射的發射——即使按照定義，由此產生的更大的黑洞應該不會發光。
幸運的是，即使沒有光，合併的引力波也揭示了很多資訊。LIGO 團隊成員已經利用前兩次啁啾聲的十億光年星系際穿越，尋找引力波傳播中“色散”的跡象——這種現象類似於光線穿過稜鏡時如何根據波長分散形成彩虹。根據愛因斯坦的廣義相對論，引力波應該根本不會經歷色散——而任何偏離該預測的情況都表明愛因斯坦對宇宙的相對論計算在某種程度上是不正確的，這可能會為物理學的新突破指明方向。任何色散的跡象都應該在 LIGO 的第三次事件 GW170104 中顯而易見，因為它的引力波傳播了 30 億光年，而不是 LIGO 前兩次事件的 10 億光年。但是當研究人員觀察時，他們沒有看到引力彩虹。“我們非常仔細地測量了這種效應，”賓夕法尼亞州立大學和卡迪夫大學的 LIGO 團隊成員班加羅爾·薩蒂亞普拉卡什說。“但是我們沒有發現任何色散，再次未能證明愛因斯坦是錯誤的。”
研究人員還利用同樣的測量方法，專注於引力子的質量，引力子是介導引力的假設粒子。“基本上我們正在一個新的體系中測試廣義相對論，”佐治亞理工學院物理學家、LIGO 副發言人勞拉·卡多納蒂說。“事實上，這次事件的距離是前兩次事件的兩倍，這為我們提供了更長的基線來測試色散關係，因此我們現在對引力子質量的限制比我們之前設定的限制收緊了 30%。可以說我們正在對廣義相對論進行越來越嚴格的測試——它仍然成立，但隨著更多訊號的出現，我們可能會發現一些不太一致的東西。”
神秘的中量級合併
雖然 LIGO 的最新事件可能是愛因斯坦廣義相對論這座巍峨大廈中的一塊磚，但它也在重塑我們對黑洞理解的基礎。在 LIGO 的探測之前，天文學家只對兩種黑洞進行了明確的觀測：一種是從恆星形成的黑洞，這些恆星被認為質量上限約為 20 個太陽質量；另一種是在大型星系核心的超大質量黑洞，其來源仍然不確定，質量是太陽的數百萬或數十億倍。兩者都被認為對於理解星系的形成和演化很重要，因此在某種程度上對於理解星系包含的一切事物的形成和演化也很重要——包括恆星、行星和人類。LIGO 合併事件中的大多數黑洞都是中量級的，比 20 太陽質量的上限重，但比超大質量黑洞輕得多，這引發了關於它們的起源以及與兩個研究充分的黑洞群體的關係的問題。
對於 LIGO 龐大黑洞的普遍解釋是，它們是由非常巨大的恆星形成的，這些恆星也非常原始，幾乎完全由氫和氦組成，幾乎沒有任何更重的元素。大多數如此巨大的恆星都會有更多的重元素，導致它們透過高速風失去大部分質量，而“低金屬丰度”恆星的風會較弱，並保留更多的恆星物質，最終透過坍縮結束生命，成為超大型恆星黑洞。
一種傳統的理論認為，製造 LIGO 的合併黑洞對需要兩顆質量大、低金屬丰度的恆星的“雙星演化”，這兩顆恆星成對形成。例如，如果這兩顆恆星非常靠近，在它們的生命歷程中，它們可以迴圈往復地交換大氣中的氣體，從而使它們的軌道更加靠近，並最終產生兩個緊密環繞的超大型黑洞。在這個過程結束時，兩個黑洞的自旋和軌道將變得密不可分地聯絡在一起，因此每個黑洞的赤道都將與它們共享的軌道平面對齊。
卡多納蒂解釋說：“將黑洞想象成龍捲風，它們拖動恆星和物質在它們周圍旋轉。”“現在想象一下兩個黑洞彼此環繞，每個黑洞都順時針或逆時針旋轉，”與軌道運動對齊。具有這種對齊方式的兩個黑洞將比未對齊的黑洞對擁有更多的旋轉能量，因此在它們合併的最後時刻需要稍微長一點的時間才能聚結在一起。GW170104（LIGO 的最新發現）最深奧的謎團在於，合併發生得太快，以至於其兩個前身黑洞都無法如此對齊；用卡多納蒂的比喻來說，至少其中一個環繞的“龍捲風”必定反常地傾斜在側面或幾乎在側面。
對於具有這種“自旋未對齊”的黑洞對，最常見的解釋是它們並非來自孤立雙星的雙星演化。相反，每個黑洞都必須獨立形成，並在宇宙中游蕩數百萬或數十億年後以某種方式找到了它們的伴侶。西北大學物理學家弗雷德·拉西奧（並非 LIGO 合作組織成員）表示，透過這種“動力形成”渠道進行的最終結合最有可能發生在被稱為球狀星團的稠密星群中。“想象一下，將一千個黑洞扔進一個群魔亂舞的坑裡，在那裡它們像瘋了一樣互相踢來踢去，”拉西奧說。“它們的自旋將被隨機化。動力學不在乎黑洞朝哪個方向旋轉，因此當它們結合成一對併合並時，它們的自旋與它們的軌道方式無關。”
來自大爆炸的黑洞？
一些理論家認為，對 GW170104 奇怪的未對齊現象的最佳解釋是，它的黑洞根本不是從恆星開始形成的。馬德里自治大學教授胡安·加西亞-貝利多（並非 LIGO 合作組織成員）是 LIGO 反常重、奇怪未對齊的合併黑洞實際上是假定的“原始黑洞”群體的一部分這一非正統觀點的 ведущий 倡導者。這種奇異的物體不是來自恆星，而是可能在大爆炸後的最初時刻出現，從當時瀰漫宇宙的熾熱等離子體霧中特別稠密的區域合併而成。如果聚集在星團中，原始黑洞也可能形成自旋未對齊的合併對。
然而，將原始起源歸因於 LIGO 觀測到的一些或所有黑洞還有一個額外的複雜之處——這可以被視為該理論最誘人的特徵，也可以被視為一個討厭的漏洞。加西亞-貝利多和其他人說，原始黑洞星團足夠稠密以產生 LIGO 新發現的合併星團，也可能成為暗物質之謎的自然解決方案——暗物質是宇宙物質中神秘且不可見的 80%，天文學家僅透過其對星系中發光恆星和氣體的引力效應才能看到它。
“這種想法是 [原始黑洞] 將集中在我們能看到的物質周圍的光環中，”LIGO 漢福德天文臺負責人邁克爾·蘭德里在最近的新聞釋出會上回答問題時總結了這個推測性的概念。“我們所看到的有可能是構成暗物質的原始黑洞。”另一方面，蘭德里補充說，一些偶爾尋找銀河系周圍原始黑洞光環的天文學家團隊尚未找到證據表明它們以足夠的數量存在，以解釋暗物質的影響。來自大爆炸的黑洞是否解釋了暗物質——更不用說 LIGO 的結果了——“仍然是一個懸而未決的問題，”蘭德里說。
聆聽黑洞交響曲
無論是透過雙星演化、動力配對、大爆炸還是完全其他方式誕生，LIGO 神秘黑洞合併的真正起源可能很快就會揭曉。該合作組織目前最好的猜測是，在邊長略超過 30 億光年的立方體空間中，每年發生大約 12 到 213 次這樣的合併。這表明 LIGO——目前正在進行升級以提高其靈敏度，並計劃在印度建立一個新的站——最終可能會以每天一次到每週一次的頻率探測到來自黑洞合併的啁啾聲。Virgo 的升級也在進行中，Virgo 是一個靈敏度接近 LIGO 的伴生引力波天文臺。最早在今年夏天，這兩個專案將同時監測天空，以更好地定位任何新的天體引力隆隆聲的起源。除了 LIGO 和 Virgo 之外，其他天文臺也可能在未來幾年內在世界各地首次亮相，建立一個環球網路，用於更精細的引力波搜尋。到 2020 年代，來自如此多合併黑洞對的啁啾聲將變得如此快速和猛烈，以至於它們的聲音可能會形成一場交響曲。
“我們無法透過一兩個黑洞雙星來區分不同的模型，”薩蒂亞普拉卡什說。“只有透過大量的探測，我們才能獲得自旋和質量的分佈。這就是形成機制之間的差異將變得清晰的地方。”非常重、未對齊的黑洞對可能非常罕見，這加強了大多數合併來自孤立雙星系統的觀點——或者它們可能很常見，這表明起源更稠密、更具動力性。加西亞-貝利多說，如果在 LIGO 合併事件中，任何黑洞被證明重量小於我們的太陽，這將是原始黑洞的“確鑿證據”，因為據認為，如此小的黑洞不可能由恆星形成。
“在我們的發現之前，我們甚至不確定這些 [中量級]黑洞是否存在，”卡多納蒂在宣佈 GW170104 的新聞釋出會上說。“我們現在知道的是，首先，它們確實存在，它們可能在早期宇宙中發揮了重要作用，我們現在開始瞭解它們的行為……這真的為我們打開了一扇瞭解宇宙的新視窗，我們正在更多地瞭解我們從哪裡來。這才是真正的興奮之處。”