臺北市立天文科學教育館

當兩個黑洞互繞靠近並最終合併時，會釋放出極為劇烈的能量，以重力波的形式傳播到宇宙深處。這類現象不僅是廣義相對論預測的結果，更在 2015 年起被人類直接觀測到，證實了愛因斯坦百年前的理論。

一、黑洞合併的歷程

在黑洞合併的過程中，兩個黑洞最初以螺旋方式互繞，彼此的重力交互作用使它們逐漸靠近。這個過程會持續釋放重力波，導致系統能量流失，軌道逐漸收縮。這一階段可持續數億年，但在最終幾秒鐘內，黑洞之間的距離迅速縮小，進入極端動態的合併階段。當兩個黑洞的事件視界接觸並融合時，將形成一個單一的新黑洞。根據質量與能量等價的原理，合併過程中釋放的重力波能量會導致新形成的黑洞質量略小於原先兩個黑洞的總和。一般而言，約有5% 至 10% 的總質量會以重力波形式輻射掉。

二、重力波的直接觀測

2015 年 9 月 14 日，美國的 LIGO 重力波觀測站首次偵測到來自兩個黑洞合併的重力波事件，編號為 GW150914。該事件來自約 13 億光年外，兩個質量分別為 36 和 29 倍太陽質量的黑洞合併為一個約 62 倍太陽質量的新黑洞，約有 3 個太陽質量的能量以重力波形式釋放出去，遠超任何電磁波段能觀測到的宇宙能量釋放。此後，LIGO 和其合作夥伴 Virgo 陸續偵測到數十起黑洞合併事件，並成功建立黑洞族群的質量分布資料。這些觀測也開啟了重力波天文學這個嶄新的領域，讓我們能以前所未有的方式探索宇宙中最極端的事件。

三、黑洞合併後的結果

合併後形成的新黑洞通常會呈現短暫的震盪狀態，此時它會釋放最後一波重力波，然後趨於穩定。形成一個質量略小於原先兩個黑洞的總和，通常具有自旋的新黑洞，其自轉程度並非一定加劇，而是取決於原本兩個黑洞的自旋大小、方向與軌道動量的配置。這些事件雖然對地球並無直接威脅，但其釋放的能量極為驚人。以 GW150914 為例，在最強一瞬間，其重力波功率甚至超過整個可見宇宙內所有恆星總和的電磁輻射能量。

結論

兩個黑洞相撞的結果，是合併成一個質量略小於原先兩個黑洞的總和、通常具有自旋的新黑洞。整個過程會釋放出大量重力波，攜帶走一部分質量與能量。這不僅是一個極端而壯觀的宇宙現象，也成為現代物理觀測中的重要里程碑。重力波的直接偵測不僅證實了廣義相對論的預測，也開啟了探索黑洞、時空與宇宙的新窗口。