黑洞碰撞重塑物理太阳成集团

作者: 科技中心  发布:2020-02-26

黑洞碰撞重塑物理 来自太空重要信号开启引力波天文学新时代

用引力波解开宇宙最深谜团 开启天文学研究新疆域

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双星黑洞会以引力波的形式辐射大量轨道能量。图片来源:Mark Garlick

20世纪80年代中期,Bernard Schutz对天文学领域一个最古老的问题——如何测量从地球到宇宙其他物体的距离,提出了新的解决方案。对于几代人来说,研究人员均依靠一个物体的亮度作为测量其距离的粗略评估。但这种方法存在无尽的复杂性。例如,附近昏暗的恒星可能“伪装”成距离遥远的明亮恒星。

在宇宙尺度上,这次事件是灾难性的——黑洞合并令周围的时间和空间结构发生剧烈摇晃,并且在整个宇宙以光速发出一阵被称为引力波涟漪的时空振动。

英国卡迪夫大学物理学家Schutz意识到引力波可以提供答案。如果探测器能够测量时空中相互作用的遥远天体产生的涟漪,那么科学家就能得到所需要的全部信息来计算信号的起始强度,以及那些涟漪到达地球所需的距离。因此,他预测,引力波是宇宙膨胀速度的明确标记。

不过,这正是地球上的物理学家一直在等待的灾难类型。去年9月14日,当这些涟漪扫过最新升级的激光干涉引力波天文台时,它们以峰值的形式在美国路易斯安那州和华盛顿州两台L形探测器的读数上露面。这是科学家第一次记录下引力波信号。

他的想法很好但不切实际:当时没有人能探测到引力波。但去年8月,两颗中子星距今1.3亿年前的合并产生的回响被地球上的引力波探测器捕捉到了,Schutz终于有机会测试这一概念。幸运的是,这一事件发生在一个距离相对较近的星系,产生了比Schutz梦想的更清晰的首个测量结果。有了这个数据点,Schutz可以证明他的技术有望成为测量距离最可靠的方法之一。“很难相信。”Schutz说,“但它就在那里。”

“就是它!”LIGO团队成员、芝加哥大学天体物理学家Daniel Holz说:“它是如此的强烈和美丽,在两台探测器上都是这样。”尽管信号的形状在理论中很常见,但Holz表示:“当你在数据中看到一些东西时,会发现它完全不同。这是一个神圣的时刻。”

更多类似的合并有助于让研究人员解决目前关于宇宙膨胀速度的争论。在若干设施的帮助下,如美国的激光干涉引力波天文台、意大利比萨斜塔附近室女座引力波天文台Virgo及日本一个类似的探测器,研究人员将很快开始探索更多的合并事件。他们将从太空干涉仪、仍在绘图板上的地面干涉仪,以及其他可能很快产生第一个引力波探测结果的方式中获得更多的洞察。

这个以其出现日期被正式命名为GW150914的信号,被恰当地誉为物理学的里程碑。它为阿尔伯特:爱因斯坦的百年广义相对论提供了大量证据。广义相对论认为,物质和能量会扭曲时空,引力则是此类扭曲的结果。在伊利诺伊大学香槟分校开展相对论计算机模拟的Stuart Shapiro,将最新发现视为“自广义相对论提出以来,对其进行的最重要确认”。

对于一个尚不足3年的研究领域来说,引力波天文学在以惊人的速度提供各种发现,这甚至超过了最乐观的预期。除了在去年8月发现的中子星合并,LIGO还记录了自2015年以来的5对黑洞合并为更大黑洞的事件。这些发现是迄今为止证明黑洞确实存在,且具有广义相对论所预测的性质的最直接证据。它们还首次揭示了成对的黑洞在围绕彼此运行。

不过,此次事件还标志着期待已久的引力波天文学时代的开启。对该信号的详细分析,已收获了关于合并黑洞性质以及它们如何形成的深入见解。随着更多此类事件的出现(LIGO团队正分析在探测器4个月的运行中捕捉到的若干其他候选事件),研究人员将能分类并理解黑洞的起源,就像他们正在对恒星所开展的工作那样。

研究人员现在希望找出这些配对是如何产生的。当大质量恒星耗尽其内核中的燃料坍缩时,会发生超新星爆发,留下质量相当于几个太阳甚至是几十个太阳的黑洞,每一对黑洞中的单个黑洞就会形成。

更多此类事件应当会出现。自去年9月起,升级版LIGO被安排和其欧洲“同行”——由法国和意大利主导的升级版Virgo设施共同观测。升级版Virgo位于意大利比萨附近,其不仅将为此类事件贡献关键细节,还会帮助天文学家比此前更加精确地测量宇宙学距离。

有两种主要理论解释类似的黑洞是如何相互环绕的:它们开始时可能是在彼此的轨道上运行的巨大恒星,但在每个恒星变为超新星爆发之后仍然环绕在一起。或者,黑洞可能是独立形成的,但后来由于与其他天体之间频繁的相互引力作用而被驱赶到一起——这种情况可能发生在密集恒星团的中心。

通过利用计算机模拟重现此次事件,科学家计算得出,两个黑洞分别是太阳质量的约36倍和29倍,并且合并后的黑洞是太阳质量的约62倍。失去的差值是太阳质量的3倍左右,以引力辐射的形式散开。其中,大部分是在被物理学家称为“衰荡”的阶段消散的。此时,合并的黑洞变成球形。该团队还推测,最终的黑洞可能以每秒100转的速度旋转,尽管这一估测的误差幅度很大。

无论如何,这些天体的能量逐渐以引力波的形式分散,这一过程将这对天体拉进一个更紧密、更快速的螺旋中,最终将合并为一个质量更大的黑洞。伯明翰大学LIGO理论学家Ilya Mandel说,如果LIGO和Virgo要看到这样的一对融合,通常黑洞开始相互环绕的轨道距离小于日地距离的1/4。Mandel说:“如果从两个距离更远的黑洞开始,它们将会花费比宇宙年龄更长的时间合并。”

推测出的两个黑洞的质量也正在揭示一些事情。根据推断,每个黑洞都是一颗大质量恒星的残留物,其中较大恒星的质量接近太阳质量的100倍,而另一颗要小一点。研究发现,和较轻的恒星相比,热核反应能将此类恒星核心处的氢以快很多的速度转化成氦,而这导致它们仅在“出生”的几百万年后,便在自身的压力下崩塌。这种崩溃释放的能量引发了被称为Ⅱ型超新星的爆发,并且留下一个变成中子星的残留核心。如果它的质量足够大,则会变成黑洞。

迄今为止发现的5个黑洞合并还不足以确定哪种形成场景占主导地位。但在对去年8月前三次探测进行的分析中,包括Mandel和伯明翰大学理论天体物理学家、LIGO成员Will Farr在内的一个团队认为,只要再多观察10次,就能提供支持一种或另一种情况的有力证据。

科学家认为,Ⅱ型超新星不应当产生比太阳质量大30倍左右的黑洞,而上述两个黑洞均处于这一区间的高端。这意味着,该系统形成于比通常在银河系发现的气体云更加富含氢和氦但相对缺乏重元素的星际气体云中。

进一步的观察还可以提供关于黑洞形成和恒星演化的一些基本问题的见解。最终,黑洞探测将勾勒出宇宙的地图,就像目前的星系研究所做的那样,麻省理工学院物理学家、LIGO首席设计师Rainer Weiss说。一旦这些数字堆积起来,“我们就可以开始通过黑洞了解整个宇宙,”他说,“天体物理学的每个领域都能从中获得一些发现。”

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