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由香港中文大學（中大）物理系領導的最新研究，首次成功量度黑洞合併所產生的殘餘後座力速度與方向，揭示其速度高達超過每秒50公里，足以將該黑洞從球狀星團中彈射而出。團隊亦成功確定了後座速度相對於地球、角動量及雙黑洞分離線的方向。研究成果刊登於國際權威期刊《自然・天文學》，為理解宇宙的奇異現象提供了寶貴洞見。

該研究由中大客席助理教授兼聖地亞哥德孔波斯特拉大學助理教授Juan Calderon Bustillo 教授領導，並聯同中大物理系博士生梁軒瑋先生及賓夕法尼亞州立大學和印度理工學院孟買校區Koustav Chandra 博士合作。重力波是時空結構中的微小漣漪，以光速傳播，並承載關於波源的資訊。這種獨特的訊息傳播方式，使科學家能夠觀測不會發光的天文現象，例如黑洞合併，並深入研究超新星大爆炸或中子星合併等發光現象過程。

愛因斯坦早在1916年已提出重力波存在的可能性，但直到2015年，美國進階激光干涉儀重力波觀測站（Advanced LIGO）首次探測到黑洞合併釋放的訊號，重力波才首次被偵測。此後，科學家已偵測到近300個重力波事件，有助深入理解黑洞及重力本質。然而，精確量度合併後殘餘黑洞的後座現象（即兩個黑洞合併後所產生的強大推力），需觀測具特定特徵的合併事件。當兩個黑洞合併時，重力波的不均勻釋放會產生強大後座力，將黑洞「踢走」，有時速度足以使其逃離所在星系。

Calderon-Bustillo 教授以音樂比喻解釋此現象：「黑洞合併產生的重力波可理解為多個訊號疊加在一起，猶如由不同樂器演奏組成的交響樂。然而，這支樂隊非常特別，不同位置的聽眾會聽見的樂器組合略有不同，從而精確推斷自己與樂隊的相對位置。這種特性讓我們能精確測量黑洞後座的方向與速度。」

量度黑洞的後座現象

重力波的外觀會因觀測者在宇宙中的位置而異。透過分析這些差異，科學家能推斷引力波的來源，以及黑洞在合併後的運動方式。在這項新研究中，研究團隊集中於2019年偵測到的一次的黑洞合併GW190412。他續指：「我們早在2018年提出此方法，證明它現有探測器即可量度後座方向，而當時的其他方法則普遍需要運用如激光干涉太空天線（LISA）等探測器，預計至少十年後才會投入運作。惟當時的Advanced LIGO尚未偵測具備『多種樂器音樂』特徵的訊號，無法量度其後座方向。一年後，我們成功探測到這次的GW190412事件，並發現可以量度其後座速度。」

Chandra 博士補充：「這是其中一種少數的天文現象，當中我們不只是偵測到訊號，而是能夠重建一個距離地球數十億光年遠的天體的運動軌跡，並僅憑時空中的漣漪來完成。更重要的是，這與多數天文觀測不同，是一個完整的3D重構，而非僅是在天球上的2D投影。這充分展現了重力波的強大潛力。」

更廣泛的科學應用與未來研究方向

這項量度黑洞後座力方向的技術未來可能在不同領域發揮作用，例如應用於同時偵測到重力波與電磁訊號的黑洞合併研究。梁先生表示：「當黑洞穿過像銀河中心這樣的高密度環境時，可能會產生可見的閃光，但我們能否看到這些閃光則取決於黑洞移動的方向。因此，如果我們知道後座方向，就能判斷閃光和重力波是否來自同一事件，或只是巧合。」此外，這項研究所研發的工具和技術還可用於探索宇宙的其他奧秘， 例如在大尺度上黑洞分布在宇宙中的對稱性。