您的位置:首页 > 探索头条 > 正文

一个不到0.1秒的信号 或能帮人类厘清黑洞成长历史

2020/9/15 19:48:56 来源:新华网客户端 浏览:

图片来源:futurism.com

“科学家发现了不可能存在的黑洞!”这几天,相关话题在网上引起了广泛热议。

9月3日,据国外媒体报道,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)与位于意大利的室女座引力波天文台(Virgo)携手探测到了一个约为142倍太阳质量的中等质量黑洞,这也是科学家首次探测到中等质量黑洞。据悉,该黑洞由两个质量约为85倍太阳质量和65倍太阳质量的黑洞并合而来,其损失的等同8倍太阳质量的能量以引力波的形式在宇宙中扩散开来,引领着我们发现了这一“不可能存在的黑洞”。

“近几年,科学家已不止一次通过引力波探测发现双黑洞系统。此次中等质量黑洞被发现,有助于天文学家破译超大质量黑洞成因,使黑洞研究更具系统性。”中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军在接受科技日报记者采访时表示。

曾有多次发现均未得到进一步证实

1916年,德国科学家卡尔·史瓦西求得广义相对论爱因斯坦场方程的一个精确解,为黑洞的存在奠定了坚实的理论基础——任何物体只要被压缩到某个临界半径,就会坍缩成奇点,极端扭曲周围时空,形成强大引力场,在一定范围内,连光也无法逃脱。

时至今日,科学家已经发现了不少黑洞,根据质量的不同可将其分为三大类:质量为数倍到100倍太阳质量之间的恒星级黑洞,质量为一百万至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,以及介于二者之间的中等质量黑洞。

学界的一种看法是,超大质量黑洞由质量更小的黑洞逐渐并合演化而成。若这个演化过程是个连续的过程,那么理论上中等质量黑洞就应该是其中的中间状态。

“2012年,曾有天文学家利用位于澳大利亚的射电望远镜观测到了超级炽热气体的爆发,认为该爆发由一颗中等质量黑洞发出;2015年,有天文学家宣称对NGC 2276星系进行观测时发现了一个中等质量黑洞……很遗憾,不少这类发现均未得到进一步证实。”苟利军介绍道,黑洞的探测需要等待合适的时机,比如要在它产生比较明亮的电磁辐射或有较大喷流的时候才能探测到。

“目前人类探测到的黑洞只是宇宙中众多黑洞的冰山一角。理论上,仅在银河系中就有上亿个恒星级黑洞,但直到现在真正得到确认的只有数十个。”苟利军说。

苟利军解释说,黑洞自身不产生电磁波,因而无法直接被探测到。目前探测黑洞只能通过黑洞周围的一些辐射现象,比如距离黑洞较远的气体在靠近黑洞的过程中与黑洞相互摩擦,会产生较强的辐射,我们就可以利用电磁探测方式来间接地探测到黑洞。

破译70多亿年前的引力波信号

引力波又被称为时空的涟漪,是因为时空受引力扰动后,这种扰动会像水波一样向外以光速传播。引力波带来的效果之一就是使两点间的距离有规律地振荡。

“通过精确测量地球上两点间距离的变化,LIGO就能探测到引力波。”苟利军解释道,因为双黑洞系统通常不会产生引力波之外的其他任何信号,所以引力波是目前探测双黑洞系统的唯一利器。

宇宙中的引力波分别可以通过地基的引力波天文台、空间的引力波激光干涉天线、脉冲星计时阵和宇宙微波背景辐射的极化等探测到。精准探测引力波可帮助揭示黑洞、中子星等引力波源的形成演化。

“本次发现中等质量黑洞的LIGO与VIRGO均是地基激光干涉仪引力波探测器。”苟利军说,激光从探测器中间发出后会一分为二,沿着两条几公里长的等长干涉臂,被反射多次后又会重新聚到一起相互干涉,干涉后信号的强弱可以被光子探测器观测到。当来自宇宙深处某一波源的引力波信号跨过时空抵达地球,经过干涉仪时两条干涉臂的臂长会发生微弱但并不相同的变化,导致干涉后的信号强弱会随时间的变化而变化。通过测量这个变化就能够捕捉到引力波信号的波形和大致的方向。

“中等质量黑洞的发现,很大程度上取决于对引力波的追踪破译。引力波辐射分为高频、中频、低频、甚低频和极低频5个不同的波段,波长范围可从数千公里直至宇宙尺度。研究人员需要根据探测结果中破译的少量信息来建立假设。”苟利军说。

在此次研究中,研究人员在2019年5月21日探测到引力波信号GW190521,信号持续时间不到0.1秒。他们通过拟合引力波形,推算出它是70多亿年前两个黑洞并合产生。

苟利军表示,相信在未来,地基引力波天文台会探测到成百上千的双黑洞、双中子星等并合引力波事件,帮助我们对这些天体和系统形成演化有更深刻的理解。

可能是由更小黑洞并合而来

长期以来,中等质量黑洞被科学界视作超大质量黑洞的“种子”,其存在一直缺乏天文观测的确切证据,但又具备重要的理论意义。

2019年11月,我国科研团队发现了一个70倍太阳质量的恒星级黑洞,并提供了一种利用郭守敬望远镜(LAMOST)巡天优势寻找黑洞的新方法。这个恒星级黑洞远超理论预言的质量上限,颠覆了人们以往对恒星级黑洞形成的认知。

值得注意的是,此次发现的中等质量黑洞也因“质量过重”受到部分科学家怀疑,他们认为其中一个或两个黑洞并非像大多数恒星质量黑洞那样由恒星坍缩形成。

“根据现有理论,坍缩恒星应该不能形成质量约为65倍—120倍太阳质量的黑洞,这个范围被称为“对不稳定质量空缺”。”苟利军表示。对此,国外研究人员提出了分级并合的可能性,即发生并合的两个黑洞之前均由更小的黑洞并合而成。

根据LIGO团队的研究,中等质量黑洞可能是由质量较小的黑洞并合形成,如果能发现更多正在并合的中等质量黑洞,或许可以解决关于超大质量黑洞的一个谜团,即它们的起源。

大多存在于星系中心的超大质量黑洞,其起源对科学家来说依然迷雾重重。学界已有的理论认为仅含氢、氦两种元素的气体云迅速收缩形成了超大质量黑洞。然而该理论仅能解释部分在早期宇宙中的超大质量黑洞起源,却很难解释目前观测发现的超大质量黑洞数量为何多于预期这一问题。

据了解,尽管天文学家对引力波信号引力波信号GW190521的发现和中等质量黑洞存在的可能性感到兴奋,但天体物理学家也并不排除此次发现有其他可能性来源。

“毋庸置疑的是,就研究意义而言,本次发现至少提供了中等质量黑洞通过并合形成的一个证据。越了解中等质量黑洞,对于探析超大质量黑洞的形成乃至衍生出更多相关学说就越有裨益。当然,这一切都需要更多观测数据来逐步实现。”苟利军表示。

文章来源网络,版权归属原作者,未注明作者均因传阅太多无从查证。本站为公益性非盈利网站,在本网转载其他媒体稿件是为传播更多的信息,此类稿件不代表本网观点。如果本网转载的稿件涉及您的版权、名益权等问题,请尽快与我们联系,我们将第一时间处理!
  • 如果宇航员登陆木星,那么会发生什么?

    导语:如果宇航员登陆木星,究竟会发生什么?除了火星与月球意外,人们对其他行星的了解少之又少,这其中的原因大概在于这些行星都不太“出名”。在现实中,除了天文学爱好者与天文学家,几乎很少有人会去主动了解其他行星,也并不知道除了火星这颗行星以外,木星这颗距离地球13亿攻公里的具体情况。而如果宇航员登陆的不

  • 为什么科学家认为不可能存在更高维度的文明在控制人类?

    这个世界总有存在一些奇思妙想,有人认为这个世界上存在着比地球上的人类更高维度或者说更先进的文明,他们正在控制地球上的我们。这一想法在科幻小说《三体》中也有体现,小说中三体人试图制造假象阻碍人类科技的发展。如果在更高维度存在着某种控制人类的东西,按照这个思路,应该还存在比该高维度文明更高级的文明存在。

  • 那个美国心心念念想买下的宝藏岛 正在以前所未有的速度融化掉

    2020-09-1308:15:10来源:中央广电总台央视新闻客户端原标题:欧洲头条丨那个美国心心念念想买下的宝藏岛正在以前所未有的速度融化掉这几天,一份发表在权威科学周刊《自然》旗下《通讯-地球与环境》上的研究报告引发不小震动,内容是由于气候变暖,2019年全年格陵兰岛融化的冰盖体积比2012年创

  • 地球上最清新的空气在哪?大气科学家确认了

    位于澳大利亚海洋国家设施上探测南大洋上空空气的气溶胶过滤器采样器。(图片来源:KathrynMoore/科罗拉多州立大学)美国科罗拉多州立大学杰出教授SoniaKreidenweis和她的研究小组在首次测量南纬40度以南的南大洋生物气溶胶组成的研究中,确定了一个没有因人类活动发生改变的大气区域。隶属

  • 宇宙外边会是什么?

    我有时会看着天花板这样想象,也许我们眼中的一粒微尘,便是一个宇宙。看窗外面狂风大作,雷声滚滚,乌云盖顶,我又会这样想:或许我们认为的庞大宇宙,只是浩渺宇宙之海其中的一滴。看向窗外边的桂花树,被风雨打得摇头晃脑,心里想着这宇宙可真是太奇妙了。宇宙之外伽利略在世的时候制作了第一个望远镜,第一次用来观星,

  • 地球诞生之初就拥有足够形成水的氢元素

    地球上水的起源一直是未解之谜,此前有观点认为,地球上的水由撞击地球的彗星或小行星带来。但法国科学家在最新一期美国《科学》杂志上撰文称,他们通过对陨石进行研究认为,地球上的水可能源于顽火辉石球粒陨石等物质释放的氢。这表明地球形成之初就拥有足够的形成水的基础元素,也就是说,地球自诞生之日起就比较潮湿。顽

  • 科学家在虚拟宇宙中探测暗物质

    新的研究工作揭示了暗物质光晕作为天空中的活跃区域,不仅存在于各个星系中也存在于辐射中——发射碰撞使得在天空中寻找暗物质光晕成为可能。放大的,对宇宙中暗物质分布的模拟,也称为宇宙网。图中的这些小圆球就是科学家所说的暗物质晕,这是一种在引力作用下形成的结构,为星系的形成提供了条件。图源:王杰,博塞,哈弗

  • 一个不到0.1秒的信号 也许能帮人类厘清黑洞成长历史

    来源:科技日报图片来源:futurism.com“科学家发现了不可能存在的黑洞!”这几天,相关话题在网上引起了广泛热议。9月3日,据国外媒体报道,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)与位于意大利的室女座引力波天文台(Virgo)携手探测到了一个约为142倍太阳质量的中等质量黑洞,这也是科学家首次探测

  • 3D打印用于制造刚度平衡的行星架

    周转齿轮系经常用于燃气涡轮发动机的减速齿轮箱中,是由中心轮,行星轮和行星架组成的。然而,行星齿轮系的行星齿轮架可能易于发生扭转挠曲,其中,行星架在负载下绕其中心轴线扭转,从而导致行星齿轮的各个旋转轴线失去与行星架的中心轴线的平行度,对齿轮系的效率和寿命产生负面影响。根据3D科学谷的市场研究,普惠加拿

  • 最新研究:全球海洋咸淡差异加剧 水循环加速

    地球系统水循环平均态示意图(图自NASA),红色箭头示意水循环在加速。中科院大气所研究团队供图“海水是咸的”虽是众所周知,但全球海洋盐度长期空间如何变化需要科学家持续监测研究。由中国科学家联合瑞士、美国同行最新合作完成的海洋盐度数据结果显示,海洋咸、淡差异加剧,全球水循环加速。这一气候变化和海洋生态