首页 引力波勘探再带来震慑:大规模黑洞兼并事情昭示天体物理学新问题

引力波勘探再带来震慑:大规模黑洞兼并事情昭示天体物理学新问题

在群众言论中沉寂数年后,引力波再次进入人们的视界。这一次,它似乎是要向咱们叙述一个世界中“本不应该发生的故事”。依据两篇研讨论文——别离刊登于今日的《物理学谈论快报》上和《天体物理学期刊快报》上——的…

在群众言论中沉寂数年后,引力波再次进入人们的视界。这一次,它似乎是要向咱们叙述一个世界中“本不应该发生的故事”。

依据两篇研讨论文——别离刊登于今日的《物理学谈论快报》上和《天体物理学期刊快报》上——的介绍,坐落美国的激光干涉仪引力波天文台和坐落意大利的 “处女座” 引力波勘探仪,均于 2019 年 5 月勘探到了约四次短时的空间轰动,每次轰动继续时间不超越非常之一秒。LIGO 和 Virgo 的研讨人员随后将此次勘探到的信号符号为了 GW190521 信号。

图 | 黑洞兼并进程示意图

依据论文,此次事情的信号源距地球约五吉秒间隔,在信号源宣布信号时,世界的年纪仅为当时的一半,而 GW190521 也因而成为了人类迄今为止所勘探到的最远的引力波事情。

在地球上的引力波勘探设备至今所勘探到的兼并事情中,参加兼并的天体不是两个黑洞,便是两个中子星。而依据论文所给出的核算,研讨人员以为,发生此次信号的事情很有或许是一次规划巨大的双黑洞兼并事情,并以为参加兼并的两个黑洞质量别离约为 85 和 66 倍太阳质量,两个黑洞兼并后所构成的新黑洞质量约为 142 个太阳质量,事情本身向外释放了约 8 个太阳质量所包括的能量,并以引力波的方式分散至整个世界,使得 GW190521 除了是人类现在勘探到的最远的引力波信号,也是现在咱们勘探到的规划最大的天体兼并事情。

此外,研讨人员还以为,依据对两个黑洞自旋的丈量,跟着参加兼并事情的两个黑洞彼此间的间隔越来越近,两个黑洞也越来越倾向于绕着它们本身,与运动轨道不同的轴向旋转,导致运动轨道发生旋转,使两个黑洞在兼并前的运动轨道呈螺旋形。

初次观测到质量反常的黑洞

法国国家科学中心研讨员 Nelson Christensen 说:“此次信号与咱们此前所勘探到的黑洞兼并事情所发生的信号有所不同,与 LIGO 于 2015 年初次勘探到的黑洞兼并事情所放出的引力波信号比较,此次的信号几乎就像是一次‘爆破’,而这也的确是 LIGO 和 Virgo 至今勘探到的最‘大’的事情。”

美国国家引力物理项目主任 Pedro Marronetti 说:“这次的信号可以说是 LIGO 为咱们带来的又一个惊喜,这种仪器起先并不是为了专门勘探恒星级的兼并事情而被规划的,但它不但能继续勘探到这些事情,还能勘探到那些包括‘质量反常’的天体的这类事情。”

咱们此前所观测到的一切黑洞都能被分为两类,一类是恒星级黑洞,一类是超大质量黑洞,而此次发生 GW190521 信号的事情所兼并出的黑洞,质量为 142 倍太阳质量,坐落上述两种分类之间,属人类初次被观测到的一个 “中阶” 黑洞;而兼并为该黑洞的那两个黑洞质量也较为巨大,以至于有研讨人员以为那两个黑洞或许并非由大质量恒星坍缩而成。

依据现有的恒星演化理论,恒星内部由光子和气体发生的向外的力会支撑恒星反抗向内的引力,使恒星处于相对安稳状况,但当大质量恒星的燃料焚烧殆尽时,其星核所发生的向外的支撑力便会小于重力,导致恒星在本身引力的效果下坍缩,构成超新星爆破,并终究变成中子星或黑洞。

上述理论能解说质量为 130 倍以下太阳质量的大质量恒星如何能终究变为质量为 65 倍以下太阳质量的黑洞,但关于质量更大的恒星来说,一种名为 “对不安稳性” 的现象将在恒星逝世时被引发,在这一进程中,星核内处于超高能状况的光子会变为 “电子 - 反电子” 对,这些电子 - 反电子对所发生的向外的力要小于光子能发生的力,使得恒星在短时间内变得极不安稳,终究演变为一次微弱的 “对不安稳性” 超新星爆破,使一切都化为乌有;而质量更高的恒星则会终究坍缩为至少 120 倍太阳质量的黑洞。由此,65 至 120 倍太阳质量间的这个区间,被天文学家们称为 “对不安稳性质量空缺” 区间,理论上说,直接由一颗恒星坍缩构成的黑洞质量是不会落在这个区间的。

但此次制作 GW190521 事情的两个黑洞,质量别离约为 66 倍与 85 倍太阳质量,是人类初次观测到质量坐落 65 至 120 倍太阳质量这一 “对不安稳性质量空缺” 区间内的黑洞。

两篇论文中,宣布在《物理学谈论快报》上的这篇侧重讨论事情物理含义,论文作者以为形成这种状况呈现的一个或许原因,或许是参加兼并事情的两个黑洞此前也是由较小的黑洞兼并而成。

LIGO 研讨员、加州理工学院物理学教授 Alan Weinstein 说:“此次发现对物理和天体物理学界提出的问题要远多于它所能答复的问题,不得不说这着实是一次令人兴奋的事情。”

意料之外

除了质量反常,GW190521 还隐藏着许多其他问题。比方,一般 LIGO 和 Virgo 在接收到穿过地球的信号时,为这类设备所规划的一套数据挑选算法会主动将收集到的数据以两种办法进行剖析,一种是经过特定的波形来判别信号是否由双星体系发生,一种是更为普适的寻觅 “突发式” 信号的办法,用于断定宣布信号的事情是否非常共同、值得被研讨。而此次 GW190521 信号的源头事情虽由一个 “双星体系” 发生,但算法却是用第二种,即更为普适的寻觅 “突发式” 信号的办法剖分出了这一信号。

LIGO 研讨员,麻省理工学院助理教授 Salvatore Vitale 说:“经过特定波形判别信号是否由双星体系宣布,实际上是以特定条件对数据进行整理,而‘突发式’信号查找则更像是一种‘全包’的办法。”

有研讨人员以为,由 “突发式” 信号查找剖分出的 GW190521 信号其实也有或许不是由双星体系发生——咱们真是那样,那将意味着科学家第一次借助于引力波勘探到了并非由双星兼并制作的天体物理学事情。Alan Weinstein 说:“这种说法并非彻底没有或许,但现在已知的信息还不足以协助咱们断语此次事情便是一种全新的事情,因而至少从或许性上来说,信号由双星体系发生现在仍是咱们的‘最佳选项’。但值得注意的是,此次事情现在的确也存在着其他或许,尽管自 LIGO 开机以来,咱们所勘探到的一切事情都是黑洞或中子星的双星体系交融事情,但此次勘探到的信号所预示的一些内容的确现已超出了咱们的理论猜测规模,这无疑是令人兴奋的。”

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