2015年9月，激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到来自两个黑洞碰撞并合过程中产生的引力波信号。这是爱因斯坦广义相对论提出引力波概念100周年后，人类首次直接探测到引力波，可以说将天文学带入了新纪元。
通过引力波，天文学家正以全新的方式观察宇宙。当然，这项创举暂时还难以将我们对黑洞的理解提升至另一个层级——不过科学家相信人类会收到越来越多来自碰撞黑洞的惊喜讯号，对这种神秘天体有越来越清晰的认知。
现实情况在很大程度上印证了学者的信念。LIGO的科学家此后接二连三地探测到新的引力波：
例如2016年6月的第二次引力波事件——22倍太阳质量的双黑洞并合，约0.9个太阳质量转化为引力波能量；
又例如2017年的第三次——两个并合的黑洞有着不同甚至相反的自旋方向。
目前，天文物理学家目力所及范围内就有近50个并合双黑洞系统可供研究；未来几个月内，将有数十对“伙伴”步入并合的“殿堂”；而未来几年的增量将是数百对。
美国西北大学的天体物理学家薇姬·卡洛格拉（Vicky Kalogera）表示：“黑洞天体物理学正因引力波而发生革命。（并合双黑洞系统的）数量如此之多，有望帮助我们提出相比过去有本质上不同的问题。我们打开了一个宝库。”
基于黑洞数据的不断增加，由统计驱动的新研究将揭示这些神秘物体甚至整个宇宙的奥秘——黑洞的形成与相互并合过程，以及宇宙演化过程（从大爆炸到第一批恒星的诞生，再到星系的增长）。
美国西北大学的天体物理学家玛雅·菲什巴赫（Maya Fishbach）表示：“我真的没想到我们会在首次发现引力波后这么快就开始研究这些问题。这个领域在爆炸式发展。”
黑洞从哪里来？两种假设
在将黑洞用于研究整个宇宙之前，天体物理学家必须先弄清楚它们是怎样形成的。到目前为止，有两种理论是解释此问题的主流观点：
一些天文学家认为，大多数黑洞起源于密集的恒星簇（也叫星团），其密度可能比人类所处的银河系大100万倍。每当一颗巨大的恒星爆炸，它就会留下一个黑洞，沉入星团中间，恒星簇的中心因黑洞而变得密度很大，超强引力有着席卷牵引一切的能力。天文学家称此为“动态”黑洞的形成。
不过另一些研究者认为，黑洞更喜欢一对对地孤立出现。它们最初在相对荒凉的星系区域以成对恒星的形式开始发展，经过漫长而混乱“共同生活”后，发生爆炸，形成了一对“孤立的”黑洞，并继续围绕彼此运转。
美国芝加哥大学的天体物理学家丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）表示：“人们普遍认为，这是动力学模型与孤立模型之间的斗争。”
实际上，LIGO首次探得引力波的过程是快速且轻松的——在他们开展正式观测以前，惊喜结果便出现了，这表明双黑洞系统在宇宙中非常普遍。如此看来，前文提到的第二种理论，也就是孤立的双黑洞系统是主流，似乎更符合“黑洞并合广泛出现在各种天体环境中”这一现实。
而其他人则指出，2015年的并合黑洞异常巨大，它看起来更符合动力学模型，也就是第一种理论所说的“密集的恒星簇当中的黑洞”。用他们的话说，这么大的黑洞只能来自早期宇宙，而早期宇宙已有星团恒星簇形成了。
LIGO的最新数据显示，孤立的双黑洞系统的普遍性远低于预期。实际上，根据卡内基梅隆大学的天体物理学家卡尔·罗德里格斯（Carl Rodriguez）和同事不久前在科学预印本网站arxiv.org上发表论文指出，星团可以“完全解释”现在观测到的黑洞并合的速度。
新发现的黑洞并合还为解决黑洞从何而来的难题提供了新方法。黑洞在某种意义上其实很简单：除质量与电荷外，它唯一具备的特征就是自旋——自身旋转速度的一种度量。如果双黑洞系统一路从一对恒星演变而来，相伴一生，那么持久的相互作用将使它们的自旋步调一致；可如果二者是在生命的中段才邂逅彼此的，它们的自旋就可能呈现出非常不同的状态。
天文学家在测量了LIGO数据集中的黑洞自旋后提出，动态理论和孤立理论差不多，引用天体物理学家迈克尔·泽文（Michael Zevin）和同事近期的预印本论文中提出的说法，没有“一个统辖一切的途径”，一系列不同的途径共同解释不断增长的双黑洞系统。
泽文还表示：
年轻的黑洞和宇宙的历史
随着时间推移，LIGO及其姊妹观测站VIRGO（欧洲室女座引力波天文台）越来越敏锐，探测并合黑洞的效率越来越高，而且这些目标距离地球更远，可以追溯到更遥远的过去。
菲什巴赫表示：“我们正在倾听宇宙里很大的一块内容，一直听向非常遥远的过去。”
在最近的预印本论文中，菲什巴赫和同事发现了在形成于不同宇宙历史节点的黑洞存在差异——尤为常见的一个情况是，质量更大的黑洞更常出现于更早期的宇宙。
在很多天体物理学家看来，这并不奇怪。他们判断宇宙中的第一批恒星是从巨大的氢和氦的云团形成而来的，这使它们比后来出现的恒星大得多。因此，源自这批恒星的黑洞也应该更大。
然而，预测早期宇宙发生的故事是一回事，研究这些故事则是另一回事。而在罗德里格斯看来：“你可以将黑洞作为追踪工具，用以探索在宇宙时间内，恒星如何形成，以及由这些恒星或恒星簇组成的星系如何聚集。这是一件相当酷的事。”
目前，理论家正尝试建立多种模型，其中包括多个针对黑洞形成场景的模型，他们希望建构出每个黑洞模型在整个宇宙历史中的演化过程。此外，还有天文学家创建了一个关于宇宙演化的模型（Lambda-CDM）。
麻省理工学院的天体物理学家萨尔瓦托·维塔莱（Salvatore Vitale）认为，引力波提供了一种完全独立于宇宙学史上其他任何方法的宇宙测量方法。
-本文作者托马斯·劳顿（Thomas Lewton）-
资料来源：
Growing Inventory of Black Holes Offers a Radical Probe of the Cosmos
联系客服
