2025年11月12日，LIGO-Virgo-KAGRA引力波观测台探测到了一个前所未有的信号。被命名为S251112cm的这次并合，其啁啾质量在0.1到0.87个太阳质量之间，作为一对普通恒星质量黑洞来说太轻了，且涉及中子星的概率仅为8%。
发表在《天体物理学杂志》上的一项研究中，迈阿密大学的天体物理学家尼科·卡佩卢蒂和阿尔贝托·马加拉贾认为，该信号可能是原初黑洞存在的首个直接证据，原初黑洞并非由恒星坍缩形成，而是由大爆炸后最初几分之一秒内的密度涨落形成的。如果他们是正确的，这些古老的黑洞可能占宇宙暗物质的很大一部分，甚至全部。
“这是这些类型黑洞存在的非常有力的证据，”卡佩卢蒂说。”但我们需要探测到另一个或更多这样的信号，才能获得确凿的确认。”
不同寻常之处
恒星质量黑洞由大质量恒星在超新星爆发中坍缩形成，已知最轻的此类黑洞大约为3到5个太阳质量，下限由中子星坍缩的物理学设定。啁啾质量低于一个太阳质量的并合没有传统的天体物理学解释。中子星并合是可能的，但对S251112cm的贝叶斯分析显示，涉及中子星的概率仅为8%。这些天体几乎可以肯定是低于恒星坍缩质量阈值的黑洞。
该信号在所有三个LVK探测器（LIGO汉福德、LIGO利文斯顿和Virgo）上都被探测到，对数贝叶斯相干因子为+6.1，这是真实引力波事件的强有力证据。其误报率大约为每6.2年一次。估计距离为93±27百万秒差距（约3.03亿光年）。电磁波后续搜索中没有发现可信的千新星对应体，这与黑洞-黑洞并合一致。
原初黑洞的情况
原初黑洞被假设形成于QCD时期，即大爆炸后最初几微秒内夸克结合形成质子和中子的相变过程。这一转变的物理学短暂地软化了早期宇宙的状态方程，使得极端密度的区域能够直接坍缩成横跨巨大质量范围的黑洞。
卡佩卢蒂和马加拉贾使用的模型基于Hasinger（2020）的扩展质量谱，并经轻子味不对称性修正，预测了四个特征质量群体：来自电弱相变的行星质量黑洞；来自重子出现的约1.5太阳质量的钱德拉塞卡尺度黑洞；来自π介子形成的约50太阳质量黑洞；以及来自电子-正电子湮灭的超大质量黑洞。
啁啾质量在0.1-0.87太阳质量范围内的S251112cm，完美地落在钱德拉塞卡尺度原初群体的低质量尾端。
该模型预测，在LIGO的O3b灵敏度下，可探测的亚太阳并合率为每年0.8次。S251112cm的单次探测给出了每年0.23次的观测率（95%置信区间为每年0.012至1.09次），与预测统计一致。同一模型还预测了在3至200太阳质量范围内每年约120次并合，与LIGO的观测率相匹配，这表明LIGO已知的黑洞并合中有一部分也可能是原初的。
对暗物质的意义
该模型预测的可观测质量范围（10⁻⁶至4×10⁸太阳质量）内的原初黑洞比例为f_PBH = 0.339，这意味着该质量窗口内大约34%的暗物质可能由这些天体构成。将质量函数扩展到亚行星尺度，该模型可以解释100%的暗物质。
“我们的研究表明，这些原初黑洞可能占暗物质的很大一部分，甚至全部，”卡佩卢蒂说。
这次探测还提供了一个下限：从这一单一事件来看，相关质量范围内至少4%的暗物质必须以原初黑洞的形式存在，置信度为95%。
替代解释与谨慎态度
并非所有人都信服。该信号仍然可能是统计涨落，尽管高相干因子使这种可能性降低。另一种解释，”超级千新星”模型，即亚太阳质量中子星由超新星爆发期间坍缩星吸积盘中的碎片形成，在一项后续研究中得到了检验，该研究发现S251112cm前两天的位置存在一颗IIb型超新星。但巧合概率为2%至9%，证据被认为”具有提示性但不具结论性”。
“我们预测，像LIGO可能观测到的那样的亚太阳质量黑洞确实应该是罕见的，这与迄今为止此类事件很少被观测到是一致的，”阿尔贝托·马加拉贾说。”我们提醒，这一事件仍有可能被修正或撤回。”
需要再次探测到类似亚太阳质量的并合才能确认原初黑洞的解释。LIGO当前的观测运行O4正在继续收集数据，升级后的探测器可能具有足够的灵敏度来捕捉到更多这些难以捉摸的信号。
婷 翻译