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  • 发现迄今为止最强大的引力波源,瞬间释放8个太阳质量的能量

    引力波由极端的天体物理现象产生,像宇宙钟声一样“震撼着”时空的结构,即大家耳熟的时空涟漪。现在,天文学家在引力波中探测到了可能是迄今观察到的最大质量黑洞合并信号。合并结果是首次清晰探测到质量介于太阳100倍到1000倍之间的“中等质量”黑洞。天文学家激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和室女座(Virgo)探测到了这个信号,并将其标记为GW190521。

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    LIGO是一对相同4公里长的干涉仪,而室女座是一个3公里长的探测器。这个信号类似于四次短暂的摆动,持续时间极短,持续时间不到十分之一秒。这个引力波源产生时,当时宇宙的年龄约为其年龄的一半,使其成为迄今为止检测到最远的引力波源之一。至于是什么产生了这个信号,基于一套强大最先进的计算和建模工具,科学家们认为GW190521最有可能是由具有不寻常性质的双星黑洞合并产生。

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    到目前为止,几乎每一个被证实的引力波信号都来自于两个黑洞或两颗中子星之间的双星合并。这次最新发现的合并似乎是迄今为止探测到的最大一次合并,涉及两个质量分别为太阳85倍和66倍的黑洞。LIGO-Virgo团队还测量了每个黑洞的自转,并发现当黑洞越来越近地围绕着自己的轴旋转时,它们可能是在绕着自己的轴旋转,角度与其轨道轴不对齐。当两个黑洞互相盘旋时,黑洞未对齐的自转很可能导致它们的轨道摇摆,或称“进动”。

    迄今最强引力波

    新信号很可能代表了两个黑洞合并的瞬间,这次合并创造了一个质量更大的黑洞,大约有142个太阳质量,并以引力波的形式释放出巨大能量,相当于释放大约8个太阳质量的能量,以引力波的形式传播到整个宇宙。室女座团队成员、法国国家科学研究中心(CNRS)研究员尼尔森·克里斯滕森(Nelson Christensen)说:这看起来不太像我们通常探测到的引力波。

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    将这个信号与LIGO在2015年首次探测到的引力波进行了比较,这更像是‘砰’的一声,这是LIGO和处女座见过的最强大信号。组成LIGO科学合作(LSC)和室女座合作的国际科学家团队,在在《物理评论快报》期刊和《天体物理学》期刊上发表了其研究发现,并讨论了该信号的物理性质和天体物理意义。国家科学基金会引力物理项目主任佩德罗·马罗内蒂(Pedro Marronetti)表示:

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    LIGO再一次让我们感到惊讶,不仅探测到了难以解释的大小黑洞,而且还使用了并非专门为恒星合并设计的技术。这一点非常重要,因为它展示了仪器从完全不可预见天体物理事件中探测信号的能力,LIGO表明,它也可以观察到意想不到的情况。这两个合并黑洞中独特的大质量,以及最终合并出来的更大黑洞,提出了一系列关于它们形成的问题。到目前为止观察到的所有黑洞,都符合两种类型中的任何一种:恒星质量黑洞,测量质量从几个太阳质量到几十个太阳质量。

    一系列新问题

    恒星质量黑洞被认为是在大质量恒星死亡时形成;超大质量黑洞,比如银河系中心的那个,从数十万到数十亿倍太阳质量。然而,由GW190521合并产生的一个142太阳质量黑洞,位于恒星质量和超大质量黑洞之间的中等质量范围内,所以这是有史以来第一个被检测到的此类黑洞。产生最终黑洞的两个前身黑洞似乎在大小上也是独一无二的,它们的质量如此之大,以至于科学家们怀疑它们中的一个或两个可能不像大多数恒星质量黑洞那样是由坍塌的恒星形成。

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    根据恒星演化的物理学,恒星核心中的光子和气体向外的压力支持它抵御向内推动的引力,因此恒星像太阳一样是稳定的。当一颗大质量恒星的核心融合了像铁一样重的原子核后,它就不能再产生足够的压力来支撑外层。当这种向外的压力小于引力时,恒星会在自身重量下坍塌,这种爆炸被称为核心塌陷超新星,可能会留下一个黑洞。这个过程可以解释质量为130个太阳质量的恒星是如何产生高达65个太阳质量黑洞。

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    但对于较重的恒星,一种被称为“不稳定对”的现象,被认为是起作用的。当恒星核心的光子变得极具能量时,它们可以变形成电子和反电子对。这些对产生的压力比光子少,导致恒星在引力坍塌时变得不稳定,由此产生的爆炸足够强烈,不会留下任何东西。更大质量的恒星,超过200个太阳质量,最终会直接塌缩成一个至少有120个太阳质量的黑洞。那么,一颗坍塌的恒星应该不会在大约65到120个太阳质量之间产生黑洞,这个范围被称为“不稳定对质量间隙”。

    恒星演化物理学

    但现在,产生GW190521信号两个黑洞中较重的一个,质量为85个太阳质量,是迄今为止在对子不稳定质量间隙内检测到的第一个黑洞。尼斯天文台阿尔特弥斯实验室主任克里斯滕森说:我们在这个质量间隙中看到了一个黑洞,这一事实会让很多天体物理学家挠头,试图弄清楚这些黑洞是如何形成的。研究人员虑到的一种可能性是分层合并,即两个前身黑洞本身可能是由两个较小的黑洞合并而成,然后一起迁移并最终合并。

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    LIGO成员、加州理工大学物理学教授艾伦·温斯坦(Alan Weinstein)说:这次发现提出的问题多于提供的答案,从发现和物理学的角度来看,这是一件非常令人兴奋的事情,关于GW190521引力波信号还有许多剩余问题。当LIGO和室女座探测器监听通过地球的引力波时,自动搜索会梳理传入的数据,以寻找感兴趣的信号。这些搜索可以使用两种不同的方法:在数据中挑选出可能由双星系统产生的特定波形算法

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    以及更一般的“突发”搜索,本质上是寻找任何不寻常的东西。LIGO成员、麻省理工学院物理学助理教授塞尔瓦托·维塔莱将双星搜索比作“通过数据梳理,可以捕捉到一定间隔内的东西”,而不是更像是“包罗万象”的突发搜索。在GW190521引力波的情况下,是一次爆发搜索稍微更清楚地捕捉到了信号,打开了引力波来自非双星合并的极小可能性。也许发现新东西的门槛非常高,因此,科学家通常使用奥卡姆剃刀。

    意想不到的可能

    但是如果有全新的东西产生了这些引力波呢?这是一个诱人的前景,在研究论文中,科学家们简要地考虑了宇宙中可能产生所探测到信号的其他来源。例如,也许引力波是由银河系中一颗坍塌的恒星发出。信号也可能来自宇宙在最早时刻膨胀之后产生的宇宙弦,尽管这两种奇特的可能性都不能与数据以及双星黑洞合并相匹配。科学家自从第一次打开LIGO以来,信心十足地观察到的一切都是黑洞或中子星的碰撞产生引力波。

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    研究分析认为,这一事件可能不是这样的碰撞,尽管这一事件与来自异常大质量双星黑洞合并的可能性一致,而且不赞成其他解释,但它正在突破天文学家信心的界限。这可能会让它变得极其令人兴奋,因为科学家们都希望有一些新的、意想不到的东西被发现,这可能会挑战我们已知的东西。

    博科园|研究/来自:麻省理工学院

    参考期刊《物理评论快报》《天体物理学》

    博科园|科学、科技、科研、科普

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