浙江
西班牙圣地亞哥-德孔波斯特拉大學旗下的高能物理研究所（IGFAE）牽頭的國際團隊，首次聯合測量出黑洞在合并后的“反沖”速度和方向，這一成果已發表于《自然·天文學》（Nature Astronomy）。研究顯示，引力波不僅攜帶能量，也會帶走動量，從而在黑洞合并后給最終形成的黑洞一個“踢飛”式的反沖，讓它以相當可觀的速度在宇宙中移動。
引力波是愛因斯坦在1916年廣義相對論中預言的時空漣漪，當黑洞等極端致密、質量巨大的天體劇烈碰撞時，就會激起這種波動，并向宇宙各個方向傳播。 由于引力波攜帶著系統的能量與動量，一旦波的輻射在空間分布上不完全對稱，最終生成的黑洞就會在“失衡”的推力下產生反沖，也被形象地稱作“黑洞被踢了一腳”。反沖強度與初始兩個黑洞的質量和自旋密切相關，而反沖方向則取決于整個系統在空間中的幾何構型。
過去，科學家主要能夠從引力波信號中測出軌道傾角等少數幾何參數，另一關鍵角度——方位角（azimuthal angle）則一直難以精確獲取。 此次研究團隊發現，引力波中的“高階模”（higher-order modes）包含了此前難以讀出的幾何信息，可以用來還原這一缺失的角度，從而計算出反沖的三維方向。
研究人員以2019年由高級LIGO與Virgo觀測站共同探測到的引力波事件GW190412為樣本進行方法驗證。 該事件中，兩顆黑洞質量明顯不相等，因而在信號中表現出清晰可辨的高階模特征，非常適合精細分析。 通過基于愛因斯坦方程的精確數值模擬，團隊推算出合并后黑洞的反沖速度超過每秒50公里，這一速度足以使它從某些致密星團（如部分球狀星團）中逃脫。 統計分析給出的貝葉斯因子約為21，對應置信度約95%，為這一結論提供了有力支持。
在確定速度大小的同時，團隊還把反沖方向與系統軌道軸線、以及地球觀測方向等基準方向進行了對比。 結果顯示，這一“踢飛”并非沿著軌道平面，也沒有直接指向地球，而是指向兩者之間的中間方向。 項目成員之一胡安·卡爾德隆-布斯蒂略教授打了一個形象比喻：引力波信號就像一支樂團，人所處位置不同，聽到的“樂器”會有差別，而這種“音色差異”幫助科學家重建出黑洞在三維空間中的運動軌跡。 賓夕法尼亞州立大學的庫斯塔夫·錢德拉博士則指出，這種方法等于僅憑時空中的“漣漪”，就能重構幾十億光年之外天體的真實運動。
作者表示，這類精確的反沖測量，對于研究在特殊環境中發生的黑洞并合尤為重要，例如在擁有吸積盤的活動星系核中，黑洞并合有可能伴隨可見光、電磁輻射等信號。 我們是否能觀測到這些閃光，很大程度取決于反沖方向與地球的相對幾何關系，因此，掌握反沖方向能夠幫助天文學家判斷某次引力波事件與某個電磁爆發是否確實來自同一宇宙事件，還是只是時間上的巧合。
研究團隊認為，這項工作標志著引力波天文學正逐步走出“只會聽見合并發生”的階段，開始進入能夠細致繪制事件空間結構和動力學過程的新階段。 未來隨著探測器靈敏度提高和事件樣本增多，同時測得黑洞反沖速度與方向將成為常規手段，幫助科學界更清晰地理解黑洞如何在宇宙中成長、遷移，并塑造星系與大尺度結構的演化。
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