最重的黑洞碰撞，轨道并不是圆的

2023年11月23日，位于汉福德和利文斯顿的LIGO天文台记录到了GW231123，这是迄今报告的质量最大的双黑洞并合。在假设圆形轨道的情况下，标准分析给出的质量约为太阳质量的137倍和101倍，而且两者的自旋都极快。

这些数字令人为难。较小的黑洞落在所谓的对不稳定性质量间隙中，这是普通恒星坍缩难以产生的一个质量范围。一种解释是分级并合：在拥挤的环境中，例如致密星团里，一次并合的遗迹会留在原地，之后再次发生并合。论文还指出一条有用的线索：当两个质量相近、自旋很小的黑洞并合时，遗迹的自旋通常约为0.7——这是物理学家使用的无量纲标度，接近1的数值意味着接近极端的自旋。

只有几个周期

GW231123很短：在最后的坠落之前只有几个可测量的波周期。这使得对它的解读对波形模型极为敏感。有一个性质尤其难以确定：偏心率，即轨道有多椭圆。辐射引力波往往会让古老、孤立的双星轨道趋于圆形，但致密环境中的近距离相遇可能留下一定的偏心率。在短短几个周期内，椭圆轨道可以模仿自旋黑洞的摆动。如果一个模型忽略了偏心率，偏心率的特征可能就被自旋吸收了。

从更低处开始，看到更多

武汉大学的Baoxiang Wang和Tao Yang，与来自北京师范大学、波茨坦马克斯·普朗克引力物理研究所和宁波大学的同事一起，使用一个同时允许偏心率和进动自旋的波形模型重新分析了公开数据。关键的区别在于：对于汉福德探测器（其公开数据已清除了一个干扰噪声），他们从11赫兹而不是20赫兹开始分析。偏心率在较低频率处更大，所以信号的这一早期部分最为重要。

• 轨道偏心率为0.34，在5.5赫兹的频率处定义。
• 偏心模型以10.2的贝叶斯因子胜出：用椭圆轨道解释数据，比用圆形轨道好约十倍。
• 如果像此前的研究那样从20赫兹开始，他们发现的偏心率很小——与那些研究一致。

为了验证这一点，他们构造了一个椭圆轨道的假GW231123，并用同样的方法进行分析。它的表现与真实事件完全一样：从11赫兹开始明显是偏心的，从20赫兹开始则弱得多。起始频率太高，可能会掩盖椭圆轨道。

自旋之谜有所松动

考虑偏心率后，变化最大的是较小的黑洞。它的自旋从圆形轨道分析中的0.90降到约0.74，接近早先一次并合的遗迹所预期的0.7。假信号也表现出同样的效应：按圆形轨道分析时，其较小黑洞看起来比实际转得更快。

较大的黑洞无论哪种分析都保持高速自旋，而它的质量很难用简单的第二代起源来解释。因此，这两个黑洞可能有着不同的历史：较小的那个可能是两个更早黑洞的“孩子”，较大的那个则以别的方式形成。即使加入视线方向上存在引力透镜的可能性，偏心的结果也不会改变。

它改变了什么

此前的研究利用GW231123中较小的黑洞来确定对不稳定性质量间隙的上边界。作者认为，如果这个黑洞本身是一次并合的产物，那么它的质量就不能单独确定这一边界。10的贝叶斯因子只是一个线索，而不是证明——作者自己也指出，当信号很短时，真正偏心的信号并不总能给出强烈的偏好。他们的结论是：当一个族群边界依赖于少数几个不寻常的事件时，这些事件背后的波形假设就直接关系重大。