最大的黑洞可能是通过反复的宇宙碰撞形成的，而不是恒星死亡
约28,000光年外，球状星团M80是数十万颗被引力束缚的恒星的家园。像这样拥挤的环境可以通过连续的合并推动黑洞的增长。图片来源：NASA、欧洲航天局、STScI和A. Sarajedini（佛罗里达大学）。
（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻（穆罕默德·图欣）：一项新研究表明，通过引力波探测到的最大质量黑洞并非直接由恒星坍缩产生，而是通过密集星团中反复剧烈合并而形成。通过分析GWTC-4目录中的153个有信心事件，研究人员识别出两个不同的黑洞群体，并发现了长期预测的质量差距从约45个太阳质量开始的有力证据。这些发表在《自然天文学》上的发现，为黑洞的生长、星团动力学，甚至大质量恒星内部的核反应提供了新的见解。
有史以来最大的黑洞不会凭空出现——它们可能也不是恒星死亡的简单产物。相反，根据最新研究，宇宙中最重的黑洞似乎是由一个残酷的宇宙过程塑造的：黑洞一次又一次地碰撞，每次都在拥挤的恒星环境中变大，混沌频发且遭遇不可避免。
由加的夫大学领导的一个团队认为，通过引力波观测到的最大质量黑洞很可能是“第二代”天体——由早期黑洞合并、存活后再次合并形成。
利用引力波追踪黑洞起源
该研究聚焦于LIGO–Virgo–KAGRA引力波瞬变目录（GWTC-4）4.0版本，该目录包含153个被认为足够有把握的黑洞合并探测。
研究人员并未将目录仅视为不断增长的合并列表，而是将其作为测试黑洞形成方式的竞争观点的工具。他们的核心问题很直接：最重的黑洞是来自恒星正常坍缩，还是通过密集星团的反复合并形成的？
团队研究了引力波信号是否包含能够揭示黑洞“家族史”的模式——尤其是目录中最大的天体。
正如卡迪夫大学的首席作者法比奥·安东尼尼博士所解释的，引力波天文学现在正逐渐超越了计算合并数的阶段。它开始揭示黑洞如何生长、生长地点以及这些生长模式揭示的恒星演化。
致密星团在构建巨型黑洞中的作用
研究人员关注反复合并最可能发生的环境：星团的致密核心。
在这些区域，恒星的密度可比太阳近域紧密得多达一百万倍。在这种极端条件下，黑洞更可能相互作用，形成双星对，最终发生碰撞。
研究认为，这些拥挤的星团环境为层级黑洞形成创造了理想的环境，即黑洞由一次合并形成，随后成为另一次合并的一部分。随着时间推移，这连串碰撞可能形成比普通恒星坍缩更为庞大的黑洞。
这很重要，因为它为解释看起来过于沉重、不可能是单颗恒星形成的黑洞提供了自然的途径。
数据中出现了两个不同的群体
分析中最有力的结果之一是在引力波数据中发现了两个明显不同的黑洞群体。
第一类是质量较低的人群，符合科学家对普通恒星坍缩的预期。这些黑洞与标准模型一致，即大质量恒星死亡并坍缩成黑洞。
第二类尤为突出：质量较高的族群，其特性与密集星团中的层级合并起源相符。
研究人员指出，关键区别不仅在于质量，还包括自旋。
旋转揭示一段激烈的合并历史
自旋在引力波天文学中可以作为一种指纹。黑洞自转的方式——以及自旋的方向——可以暗示黑洞是如何形成的。
研究发现，低质量黑洞普遍处于缓慢旋转状态，这种模式与典型的恒星双星系统一致。
但质量更高的黑洞则不同。它们的旋转速度更快，方向似乎随机。
合著者、加的夫大学欧内斯特·卢瑟福研究员伊莎贝尔·罗梅罗-肖博士表示，最明显的惊喜是高质量黑洞分裂得如此剧烈，形成了独立类别。
与低质量系统不同，高质量黑洞恰好表现出黑洞反复合并成密集星团时预期的特征。它们的自转方向并未表现出通常在正常双星对中共同诞生的黑洞所预期的那种排列。
对研究人员来说，这使星团合并的解释比早期引力波目录中更具说服力。
长期预测的黑洞“质量差距”的有力证据
除了识别出两个黑洞群体外，这项研究还报告了迄今为止最有力的长期预测质量差距证据。
这种“质量差距”与恒星演化理论有关，该理论预测极其巨大的恒星并不总是坍缩成黑洞。相反，它们可以以灾难性的方式爆炸，彻底扰乱恒星，什么都不留下。
结果是黑洞质量的禁忌范围——如果黑洞直接由单颗恒星形成，则不应该存在。
研究人员将这一差距定位为大约太阳质量的45倍，并将一个质量达45个太阳质量及以上的恒星起源黑洞群体描述为关键过渡带。
安东尼尼博士解释说，引力波探测器现在发现了似乎位于或靠近预测间隙的黑洞。这引出了一个关键的科学问题：这些天体是否暴露了恒星演化模型的缺陷，还是完全由另一种过程产生？
团队的结论强烈倾向于第二种最大黑洞的选项。
大约45个太阳质量的重大转变
其中一个最重要的发现是，数据表明行为发生了超过45个太阳质量的转变。
根据研究，超过该质量阈值时，自旋分布的变化难以仅用普通恒星双星来解释。相反，如果这些黑洞已经经历过早期合并，这种模式自然吻合。
这意味着大约45个太阳质量的引力波数据可能标记了一个过渡点：在它下方，黑洞大多由标准恒星坍缩塑造，而在其上方，黑洞则越来越多地反映密集星团和反复碰撞的动力学。
研究人员认为，当前星系中最大的黑洞似乎不仅讲述了恒星的衰亡，更讲述了混沌星团如何随着时间反复构建越来越重的黑洞。
引力波数据可能揭示恒星内部的核物理
其影响不仅限于黑洞和星团。这项研究还表明，引力波天文学可能帮助科学家探究大质量恒星核心内部发生的事情。
团队利用质量跃迁和质量差距的证据，将引力波观测与氦燃烧中的核反应联系起来。
合著者、卡迪夫大学研究员法尼·多索普卢博士指出，对不稳定性所设定的质量极限取决于大质量恒星核心中发生的核反应。
随着引力波目录的扩展，未来的探测可能帮助研究人员更好地理解塑造恒星生死的核物理学。
为什么这很重要
这项研究表明，引力波天文学不仅成为探测黑洞的工具，也成为揭示其起源的工具。通过识别两个不同的黑洞群体，研究人员提供了有力证据，表明迄今为止探测到的最大质量黑洞很可能是通过密集星团的反复合并形成的，而非直接的恒星坍缩。
发现可能存在约45个太阳质量的质量差距，也加强了长期以来关于极大质量恒星行为的理论——以及为何某些黑洞不应通过普通形成路径存在。
最重要的是，这些结果表明黑洞合并可以作为自然实验，揭示恒星演化、星团动力学，甚至驱动氦在大质量恒星深处燃烧的核过程信息。随着引力波目录的不断扩大，它们可能为迄今为止测试宇宙如何创造最极端天体提供了最清晰的方法之一。
研究详情
引力波对对不稳定质量差距及大质量恒星核燃烧的约束，《自然天文学》（2026）。DOI：10.1038/s41550-026-02847-0
