2023年末，一项震撼人心的天文发现震撼了科学界。美国华盛顿州汉福德与路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台（LIGO）几乎同时捕捉到了一个前所未有的引力波信号，编号为GW231123。此次探测到的信号源自两个超大质量黑洞的合并，产生的黑洞质量惊人，达到了太阳质量的225倍，刷新了引力波探测史上的纪录。
这两个黑洞的质量分别约为太阳质量的103倍和137倍，远超以往记录保持者。2021年记录的GW190521事件产生的黑洞质量约为太阳质量的140倍，而GW231123事件中的黑洞质量则比其高出60%以上。在合并过程中，相当于15个太阳质量的物质被转化为纯粹的能量，以引力波的形式向宇宙四方传播，最终在距离地球约20亿至130亿光年的遥远距离上被LIGO探测器捕获。信号的信噪比高达22.5，这一强烈的信号为科学家们提供了宝贵的数据。
GW231123的发现对现有的恒星演化理论提出了严峻挑战。根据恒星演化标准模型，质量超过太阳质量140倍的恒星在生命末期会发生对不稳定超新星爆发，这种爆发会完全摧毁恒星核心，不会留下任何黑洞。这一机制在黑洞质量分布中形成了一个“质量空隙”，即大约60到130倍太阳质量之间的黑洞极为罕见。然而，GW231123中的黑洞质量正好落在这个“禁区”内或其边缘，英国卡迪夫大学的Mark Hannam教授指出，按照现有理论，如此大质量的黑洞本应不存在。
除了黑洞的惊人质量，它们的自旋特征也极为罕见。分析显示，这两个黑洞的旋转速度接近广义相对论允许的最大极限，自旋参数分别达到0.9和0.8，理论最大值为1。这种高速自旋为理解黑洞的形成机制提供了关键线索。科学家们推测，这些黑洞很可能是通过多次较小黑洞合并的“层级合并”过程形成的。在这种情况下，较小的黑洞经过多次合并，质量和自旋速度逐渐增长，最终形成了观测到的极端天体。
GW231123的成功探测展示了当前引力波探测技术的极限能力。这些黑洞的高质量和极快自旋对引力波探测技术和理论模型都提出了严峻挑战。科学家们需要利用最先进的理论模型解析信号，这些模型必须考虑高速自旋黑洞的复杂动力学过程。尽管引力波信号的持续时间仅有十分之一秒，但这短暂的瞬间包含了黑洞质量、自旋、距离等关键物理参数的重要信息。
自2015年LIGO首次直接探测到引力波以来，该领域取得了显著进展。目前，LIGO已与意大利的Virgo探测器和日本的KAGRA探测器形成了国际合作网络。在2023年5月开始的第四次观测运行中，这个网络已经探测到超过200个黑洞合并候选事件，累计探测数量超过300个。GW231123这样的稀有事件的成功探测和分析得益于探测能力的大幅提升。
此次发现对理解中等质量黑洞的形成具有重要意义。天文学家已经观测到大量的恒星级黑洞和超大质量黑洞，但中等质量黑洞一直相对难以发现。GW231123表明，质量约为太阳质量200倍的中等质量黑洞确实可以通过引力波驱动的合并过程形成。这类黑洞可能在星系演化中扮演着重要角色，通过层级合并的方式不断增长质量和自旋速度，最终可能发展成为星系中心的超大质量黑洞。
GW231123的复杂特征也要求科学界开发更先进的理论工具。不同信号模型在推断参数方面存在差异，表明该事件的某些性质存在较大的不确定性。英国伯明翰大学的Gregorio Carullo预测，学界可能需要数年时间才能完全解开这个复杂信号模式及其所有含义。科学家们正在致力于改进用于解释此类极端事件的模型，这些工作将有助于更好地理解宇宙中最极端的物理过程。
GW231123的详细分析结果已在英国格拉斯哥举行的第24届国际广义相对论与引力会议暨第16届Edoardo Amaldi引力波会议上发布。这些校准数据将通过引力波开放科学中心向全球研究人员开放，供进一步分析和研究。
