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    中等质量黑洞是否存在?引力波探测器或可提供答案

    这个星系:RX J1140.1+0307,其中心似乎有一个质量非常低的黑洞

    图源:ESA/Hubble

    科学家希望引力波探测未来能使他们直接观察到一种神秘的黑洞。

    引力波探测器曾经观测到过质量大致与巨星相当的黑洞存在的直接证据,而事件视界望远镜拍到过一张超大质量黑洞的照片,其质量是太阳的几十亿倍。但在它们之间,是中等质量黑洞(intermediate-mass black holes, 简称IMBHs),其质量在太阳的100到10万倍之间,它们尚未被直接观测到。据今天在《自然-天文学》上发表的一篇论文称,研究者希望他们新的数学工作将为未来利用引力波探测器研究这类黑洞 “铺平道路”。

    地球上的三台引力波探测器——位于美国的两台LIGO探测器和位于意大利的Virgo干涉仪——已经开始观察空间-时间自身中的涟漪,它们被称为引力波,由黑洞围绕彼此旋转随后合并而造成。

    中等质量黑洞是否存在?引力波探测器或可提供答案

    黑洞围绕彼此旋转后合并,形成引力波

    图源:Swinburne Astronomy Productions

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    位于美国的LIGO引力波探测器

    图源:UniverseToday

    目前自这样的合并观察到的最大黑洞的质量是太阳的80倍。但质量更大的黑洞生成的信号频率太低,如今的观测站尚无法监测到。中等质量黑洞可能会位于被称为球状星团的恒星群的中间,或者可能在星系中心作为更大黑洞的前体存在。到底怎样很难说。

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    球状星团

    图源:Wikipedia

    “我已经研究黑洞很长时间了,而当我刚开始着手研究它们时,它们几乎更像是一个谜”

    由范德堡大学的卡兰·亚尼领导的研究者们描述了即将开展的引力波实验组合可以怎样被用来发现中等质量黑洞对。一个称为LISA的未来的天基引力波观测站将在最低频段上观察双黑洞围绕彼此旋转合并。探测到的音量最大的片段,也就是合并本身,随后会在更灵敏的陆基实验中出现。科学家为了提高从地面观测的灵敏度,正在着手对LIGO进行一个称为“Voyager”的升级,同时也在搭建两台名为“爱因斯坦望远镜”的新探测器,它们正在欧洲处于研发中,而宇宙探测器则计划安排在美国“地震平静”的地区。

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    天基引力波观测站LISA的概念图

    图源:Wikipedia

    该团队比较了黑洞质量和距离的不同组合,这些组合能够在实验中观测到,以及信号看起来会是什么样子。对于质量在太阳1000到3000倍的中等质量黑洞对,LISA加爱因斯坦望远镜可能会观测到源自几十亿光年之外的这种合并(对质量更大的组合,或者其中一个黑洞显著比另一个更大的组合来说,观测距离更短)。据该论文称,灵敏度最高的设备组合是LISA加爱因斯坦望远镜,尽管LISA加Voyager也可以观察到质量小于太阳2000倍的中等质量黑洞。

    换句话说,如果中等质量黑洞存在而且如果它们发生合并,该论文建议的引力波实验应该能够发现它们,这篇论文提出了其信号可能的样貌。另外,目前已经有间接证据证明中等质量黑洞存在,其证据是来自称为CO-0.40-0.22的源的无线电波。

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    双黑洞的电脑模拟图

    图源:Wikipedia

    这是令人兴奋的工作。“这篇论文很独特,因为这是我看到的第一篇以如此多样的方式计算了中等质量黑洞波形的文章。我们的圈子中已经知道,总的来说,LISA加Voyager可以探测到这样的双黑洞,但这篇论文完成了细致的计算,并提供了这样做的公式,”纽约的皇后社区学院研究黑洞的助理教授吉莉恩·贝洛瓦利在一封电邮中这样告诉Gizmodo。“这些计算将帮助我们的圈子解读来自引力波探测器的信号;有越多波形的计算,我们就能更好地理解探测器告诉了我们什么。”

    但是这一工作主要是以数据驱动的建模,而且我们仍然不知道中等质量黑洞在宇宙中有多常见。“有可能在LISA任务工作期间(4到10年)它们完全不会发生,如果中等质量黑洞非常罕见的话,”贝洛瓦利说,“我们没办法知道,直到探测器上线。”这将要求实际地投入资金并建造这些新的或升级的实验。

    中等质量黑洞是否存在?引力波探测器或可提供答案

    但有一件事是明确的:物理学家在黑洞观察科学方面不过才触及皮毛而已,还有太多的天体等待人们发现。

    “我已经研究黑洞很长的时间了,而当我开始着手研究它们时,它们对人们来说比起真实存在的事物更像是一个谜,”研究作者和佐治亚科技物理教授戴尔德丽·休梅克通过电话告诉Gizmodo。“现在它们如此无处不在——看到黑洞在宇宙中的各种不同的表现,非常有意思。”

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. 叶萤- gizmodo- Ryan F. Mandelbaum

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