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  • 爱因斯坦又对了!在19亿光年外的黑洞合并中,发现高次谐波引力波

    引力波研究界的期望已经实现:引力波的发现,现在已经成为这些科学家们日常工作的一部分,因为在过去的观测中,发现了大约每周一次的O3新引力波候选者。但现在,研究人员发现了一个不同于以往任何一个信号的显著信号:GW190412是O3首次观测到的双星黑洞合并,其中两个黑洞的质量截然不同,大约是太阳的8倍和30倍。

    爱因斯坦又对了!在19亿光年外的黑洞合并中,发现高次谐波引力波

    这不仅使系统的天体物理性质有了更精确测量,而且也使LIGO/室女座的科学家们:能够验证爱因斯坦广义相对论到目前为止还没有经过测试的预测。马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所;AEI)独立马克斯·普朗克研究小组“双星合并观测与数值相对论”的负责人Frank Ohme说:这是我们第一次在GW190412中‘听到’明确无误的高次谐波引力波嗡嗡声,类似于乐器的泛音。

    证实广义相对论的预测

    在像GW190412这样质量不等的双星黑洞系统中,这是第一次观察到这种类型:引力波信号中的这些泛音,比通常观测到的要大得多。这就是为什么以前听不到它们的原因,但在GW190412中,终于可以听到了。这次观测再次证实了爱因斯坦的广义相对论,广义相对论预言了这些高次谐波的存在,也就是说,引力波的频率是目前观测到基频的两到三倍。

    爱因斯坦又对了!在19亿光年外的黑洞合并中,发现高次谐波引力波

    波茨坦阿尔伯特·爱因斯坦研究所“天体物理和宇宙相对论”系的博士生罗伯托·科特斯塔(Roberto Cotesta)说:位于GW190412中心黑洞的质量分别是太阳的8倍和30倍,这是观察到第一个两个黑洞质量相差如此之大的双星黑洞系统!这种巨大的质量差异,意味着可以更精确地测量该系统的几个属性:它到地球的距离、我们看它的角度,以及重黑洞绕其轴旋转的速度有多快。

    前所未有的信号

    2019年4月12日,LIGO探测器和室女座探测器都观测到了GW190412,也就是探测器第三次观测运行O3的早期。分析显示,合并发生在距离地球19亿至29亿光年的地方。这个新的不等质量系统是一个独特发现,因为LIGO和室女座探测器之前观测到的所有双星黑洞,都由两个大致相等的质量组成。不相等的质量在引力波信号上留下了印记,这反过来又使科学家能够更精确地测量该系统的某些天体物理性质。

    爱因斯坦又对了!在19亿光年外的黑洞合并中,发现高次谐波引力波

    高次谐波的存在,使得打破到系统的距离和观察其轨道平面角度之间的模糊性成为可能;因此,这些性质可以比没有高次谐波的等质量系统以更高的精度被测量。波茨坦阿尔伯特·爱因斯坦研究所“天体物理和宇宙相对论”部门主任、马里兰大学学院公园教授亚历山德拉·布南诺(Alessandra Buonanno)说:在O1和O2期间,研究人员观察到了由恒星质量黑洞组成双星群体的冰山一角。

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    由于灵敏度的提高,GW190412已经开始揭示了更加多样化的系统,其特征是质量不对称高达4倍,黑洞的自转速度约为广义相对论允许最大值的40%。阿尔伯特·爱因斯坦研究所的研究人员对检测和分析GW190412做出了贡献,并提供了来自合并黑洞引力波的精确模型,其中首次包括了黑洞自旋的进动和超出主导四极杆的多极矩。那些印在引力波波形上的特征,对于提取有关信号源特性的独特信息和进行广义相对论测试至关重要。

    检验爱因斯坦的理论

    LIGO/室女座的科学家,还使用GW190412来寻找信号与爱因斯坦广义相对论预测的偏差。尽管该信号具有与迄今发现的所有其他信号不同的性质,但研究人员无法发现与广义相对论预测有显著差异。

    改进国际探测器网络

    这是国际引力波探测器网络第三次观测(O3)中的第二次发现,三个大型探测器的科学家已经对仪器进行了几次技术升级。阿尔伯特·爱因斯坦研究所所长、汉诺威莱布尼茨大学引力物理研究所所长卡尔斯滕·丹兹曼(Karsten Danzmann)说:在O3期间,压缩光被用来提高LIGO和室女座的灵敏度。这种仔细调节激光量子力学特性的技术,是德国-英国探测器GEO600率先采用的。

    爱因斯坦又对了!在19亿光年外的黑洞合并中,发现高次谐波引力波

    AEI正在领导世界范围内最大限度地提高挤压程度的努力,这已经将GEO600探测器的灵敏度提高了两倍。而且在这项技术方面的进步,将使所有未来的引力波探测器受益。探测器网络已经对O3中可能发生的56个引力波事件(候选事件)发出警报。在这56个信号中,另一个确认信号GW190425已经发布。LIGO和室女座的科学家,正在检查所有剩余的54个候选者,并将公布所有详细后续分析确认其天体物理起源的候选者。

    爱因斯坦又对了!在19亿光年外的黑洞合并中,发现高次谐波引力波

    对GW190412的观测意味着,类似的双星黑洞系统,可能并不像一些模型预测的那样罕见。因此,随着未来更多引力波观测和不断增长的事件目录,预计会有更多这样的信号。其中每一个都可以帮助天文学家更好地理解黑洞及其双星系统是如何形成的,并为时空的基本物理提供新线索。

    博科园|研究/来自:马克斯·普朗克学会

    参考期刊《arXiv》

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