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引力波將科學家指向難以捉摸的缺失環節黑洞


天體物理學家對新的引力波「爆炸」感到非常興奮。自2015年以來,天體物理學家一直在使用重力波探測器來「聽到」線性調頻信號並解碼大規模碰撞,這些碰撞在時空上會發出微妙的漣漪。現在,根據激光干涉儀引力波天文台(LIGO)及其歐洲同行處女座的最新研究,科學家們已經聽到了一種新的聲音,一種快速,深沉的「砰」聲,可以釋放出更多的宇宙秘密。

引力波將科學家指向難以捉摸的缺失環節黑洞

  • 藝術家對兩個相撞的黑洞的描繪。 (圖片提供:Mark Myers,ARC引力波發現卓越中心(OzGrav))

路易斯安那州立大學的物理學家,這項新研究背後的龐大團隊成員加布里埃拉·岡薩雷斯(Gabriela Gonzalez)表示:「這是又一次創舉。」 「我們永遠不會厭倦第一時間。」經過一年多的研究,這個奇怪的新信號被稱為GW190521,科學家認為他們知道是什麼原因造成的:迄今為止最大的黑洞合併,導致了迄今為止從未見過的中等質量黑洞。

橫掃整個宇宙的雷聲

當科學家們花時間進行分析時,該信號立即作為獨特的信號而突出。Zsuzsanna Marka生動地記得2019年5月21日,夜間探測器撿起了信號。Marka是將手機連接到宇宙並在引力波探測器聽到宇宙中可能發出的信號時會收到警報的幾十個天體物理學家之一。

黑洞的大小不同:美國國家航空航天局(NASA)稱,恆星黑洞的質量是太陽質量的10至25倍,超大質量黑洞的體積甚至大百萬倍甚至更多,潛伏在像銀河系這樣的星系中心的龐然大物方式。但是,天文學家懷疑這兩者之間可能存在某種關係:根據LIGO的說法,中等質量的黑洞的頻率約為太陽質量的100到1,000倍。

引力波將科學家指向難以捉摸的缺失環節黑洞

  • 藝術家對2019年5月21日檢測到的碰撞黑洞及其最終產品的描繪。 (圖片來源:LIGO / Caltech / MIT / R。Hurt(IPAC))

從垂死恆星的爆炸中,中等質量的黑洞無法像大多數小黑洞那樣形成。恆星在此過程中總是會失去物質,但恆星達到一定大小后,無論恆星增長多少,爆炸時都會形成黑洞,其質量約為太陽質量的65倍。根據LIGO的說法,更大的爆炸恆星只會扔掉更多的物質,最終以相同的最大尺寸出現黑洞。

直到現在,這些理論上的物體甚至都已經被神秘的黑洞標準所掩蓋。儘管科學家們已經開始觀察到LIGO早期發現的恆星黑洞,以及來自事件地平線望遠鏡對M87星系中心物體的圖像的超大質量黑洞,但對於中等質量黑洞卻並非如此。這種新的爆炸代表了這類物體的第一個觀測證據,因為計算表明該信號是在質量為太陽質量85倍的中等質量黑洞與質量為太陽質量66倍的恆星黑洞相撞時產生的。

引力波將科學家指向難以捉摸的缺失環節黑洞

  • 圖表顯示了迄今為止檢測到的黑洞和中子星碰撞。GW190521位於中心頂部,並且在所有這些中產生了最大的黑洞。(圖片來源:LIGO-Virgo /美國西北部/ Frank Elavsky和Aaron Geller)

國家科學基金會引力物理學項目主任佩德羅·馬羅內蒂(Pedro Marronetti)表示:「 LIGO不僅使我們驚訝,不僅發現了難以解釋的黑洞,而且使用了並非專門為恆星合併設計的技術。在一份聲明中說,這是為LIGO探測器提供資金的機構。這具有極其重要的意義,因為它展示了儀器從完全無法預料的天體物理事件中檢測信號的能力。LIGO表明它也可以觀察到意外情況。

新一代的黑洞,或更奇特的東西?

像往常一樣,當涉及到引力波時,科學家們必須圍繞可以從觀測中破譯的稀缺信息來建立其假設。在重力波候選GW190521的情況下,該信號比LIGO先前的檢測要短得多,持續時間僅為十分之一秒。它的頻率也比以前的黑洞合併產生的信號低得多。科學家還可以將信號追蹤到特定的天空。

根據這些信息,天體物理學家可以計算出發生碰撞的距離,在這種情況下,距離約為70億光年。科學家還可以計算兩個相撞的物體的大小,在這種情況下,它們分別是我們太陽質量的85倍和66倍,以及最終物體的質量,大約是太陽質量的142倍。由於垂死的恆星產生的黑洞的尺寸受到限制,因此初始質量表明至少更大的黑洞本身可能是兩個黑洞之間碰撞的結果。兩個黑洞合併,形成一個新的黑洞……然後它們又合併了。只有在非常密集的環境中有很多黑洞時,才會發生這種情況。

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  • 顯示2019年5月21日檢測到的黑洞碰撞的數值模型。 (圖片來源:N。Fischer,H。Pfeiffer和A. Buonanno(馬克斯·普朗克引力物理研究所),模擬極限時空(SXS)協作)

她希望碰撞發生在活躍的銀河原子核附近,銀河核是一個巨大的氣質物體,由於其強大的引力,它可以將其他物體錨定在附近,儘管科學家無法確定這是否是背後的故事GW190521,鑒於他們擁有的數據。此外,發現更多合併的中等質量黑洞可能會解決有關其較大表親,超大質量黑洞的持續難題,科學家無法解釋其起源。

西北大學的天體物理學家,LIGO研究人員克里斯托弗·貝里(Christopher Berry)在第二份聲明中說:「它們是房間里的百萬美元質量的大象。」 「它們是從恆星崩潰時產生的恆星質量黑洞中生長出來的,還是通過未知的方式出生?我們長期以來一直在尋找一個中等質量的黑洞來彌合恆星質量和超大質量黑洞之間的差距現在,我們有證據證明確實存在中等質量的黑洞。」

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  • 引力波是由兩個黑洞合併而成的。 (圖片來源:Deborah Ferguson,Karan Jani,Deirdre Shoemaker,Pablo Laguna,喬治亞理工大學,MAYA合作)

儘管科學家對信號感到興奮,並且看到了一個中等質量的黑洞,但他們不能肯定他們的當前假設是正確的。儘管兩個黑洞的合併最適合數據,但天體物理學家也在考慮進行更多奇特的解釋。「如果全新的事物產生了這些引力波怎麼辦?」 西北大學另一名LIGO專家Vicky Kalogera在同一聲明中說。「這是一個誘人的前景。」 她補充說,目前關於信號起因的假設包括銀河系恆星或古老的宇宙線崩潰。

第一次之後

目前,LIGO和處女座探測器處於離線狀態,由於仍在全球肆虐的冠狀病毒大流行,三月底被迫關閉。但是天體物理學家正計劃升級探測器及其演算法,然後再回到聽宇宙的聲音。兩種類型的升級對於檢測更多信號(例如GW190521)都是至關重要的。使探測器本身更加靈敏,將使科學家能夠捕獲更遠的信號,並且微調處理數據的演算法將使科學家能夠更輕鬆地識別像樣的更短的信號。看到似乎是由合併本身形成的兩個黑洞之間的衝突,預示著整體上要觀察的信號數量是一個好兆頭。

引力波將科學家指向難以捉摸的缺失環節黑洞

我希望這意味著會有更多的黑洞-可能是這些黑洞的簇,因為它們聚在一起,然後合併的頻率更高。我希望這些星團很大,它們在很多地方都有,所以我們可以看到更多的黑洞。但是她和她的同事們將不得不看到未來的觀察結果。岡薩雷斯說:「自然是做什麼的,我們不能告訴自然該怎麼做。」 「我們收集數據並進行發現,然後讓理論天體物理學家推測併發明出有關可能產生這些大黑洞的新理論。」這項研究在今天(9月2日)發表在《物理評論快報》和《天體物理學雜誌快報》上。#科學X計劃#

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