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独一无二的碰撞

2020/7/8 15:28:29 来源:原理 浏览:

○ 天文学家首次探测到两个质量相差甚远的黑洞合并辐射出的引力波。| 图片参考来源:N. Fischer、H. Pfeiffer、A. Buonanno 、SXS Collaboration


黑洞,是宇宙中最奇异的天体。在宇宙中应该存在着许多由两个黑洞组成的系统。在这样的系统中,两个黑洞会相互旋转,慢慢靠近,最终合并成一个更大的黑洞。就像扔进水里的卵石会激起阵阵涟漪一样,黑洞合并也会辐射出时空涟漪——引力波,以光速向宇宙传播开来。


当引力波经历了漫长的路程传播到地球之后,它们已经变得相当微弱,所以要探测这些微弱的引力波信号是一件非常棘手的事情。为此,科学家打造了位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利的室女座激光干涉引力波天文台(Virgo)。


2015年9月,在几十年的努力下,LIGO终于首次探测到了由双黑洞合并产生的引力波。之后(截至到 2017年),LIGO与Virgo又共同探测到了10次引力波事件:其中9次是黑洞合并引起的,还有一次是由两颗中子星的碰撞引起的,对后者的成功探测也更好地帮助了科学家研究宇宙中重元素的起源。


2019年4月1日,升级后的LIGO与VIRGO开始了第三轮的观测,并于2020年3月27日结束。近一年的时间里,它们捕捉到了56次引力波事件,但在今年1月研究团队只公布了一次合并事件——于2019年4月25日探测到的第二例双中子星合并事件


之前已确认的双黑洞合并事件都有一个共同点,那就是两个黑洞的质量都是相近的。然而在4月18日,天文学家在一次线上会议上公布了他们探测到的一次特殊事件——两个质量相差甚远的黑洞之间的碰撞。这一发现于2019年4月12日的合并事件极大地颠覆了先前探测到的模式,为天体物理学和引力物理学开创了新的前景。



最新公布的这次合并事件(GW190412)是独一无二的,它发生在距离地球大约25亿光年之外。其中一个黑洞的质量约为8倍太阳质量,另一个质量则约为30倍太阳质量,是前者的3倍多。质量较大的黑洞会扭曲它周围的空间,使得另一个黑洞的运行轨迹发生偏转,没能形成一个完美的螺旋。这一点可以从产生的引力波中看出,因为引力波就是在这两个天体相互旋近时产生的。



迄今为止公布的所有其他合并事件都产生了一种类似“啁啾”的引力波,这是一种在碰撞发生之前,其强度和频率都在不断升高的波。但是GW190412却有所不同,它的强度并没有像啁啾那样仅仅是上升而已。因此从信号的形态来看,它就有别于其他合并事件。


这种不寻常使一些物理学家感到兴奋。要知道,无论是黑洞,还是引力波,都是爱因斯坦广义相对论所预言的。因此,每一次的新发现,就意味着我们可以之前从未探索过的领域中进一步检验广义相对论。这次新的研究结果也再次符合广义相对论的预期。


尤为值得一提的是,研究人员能够利用这些数据来识别黑洞的“自旋”。通过对在银河系中的黑洞的观测显示,黑洞应该具有高度的自旋。然而,在之前的观测中,研究人员并没有在引力波数据中发现自旋的迹象,这使他们感到困惑。在这一次发现中,研究人员可以确信较重的那个黑洞必定是在旋转的。


天体物理学家希望探测到的自旋也能揭示双黑洞系统是如何形成并相互环绕的。这种非对称质量的黑洞合并隐藏的信息越是丰富,就越有助于以更高的精度定位合并事件。将更多这样的观测数据积累到一起,或许就能为绘制宇宙膨胀的历史提供一种全新的方法。


接下来LIGO-Virgo合作组将陆续公布更多数据结果,更多有趣的天文事件将会在引力波技术的帮助下呈现在我们面前。就让我们翘首以待吧!


参考来源:

https://arxiv.org/pdf/2004.08342.pdf

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01153-7

https://www.sciencemag.org/news/2020/04/gravitational-waves-reveal-unprecedented-collision-heavy-and-light-black-holes

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