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一对“跳舞”的黑洞相撞,释放出的强烈引力波信号被人类捕捉到了

Dennis Overbye2017-06-03 09:52:08

爱因斯坦又对了,但是科学家表示,在某个地方,他一定会犯错误,我们等着瞧吧。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

太空中正在进行着看不见的剧烈变化。

天文学家周四表示,他们通过一对巨大黑洞的合并,感受到了被称为“引力波”的时空振动。此次距离地球大约 30 亿光年的合并导致了一个无限深邃的黑洞,其重量相当于太阳的 49 倍。

这是天文学家 2015 年 9 月用激光干涉引力波天文台(LIGO)监视宇宙背景以来探测到的第三次黑洞撞击。同之前被天文学家视作死星遗迹的黑洞相比,这些黑洞具有更大的质量。

在不到两年时间里,该天文台已经引发了两次革命。它证实了爱因斯坦很久以前的预测:当巨大的物体带着它们的重量旋转时,时空会像碗里的果冻一样发生震荡。而且,它使天文学家近距离接触到了巨大的黑洞,这是爱因斯坦“宇宙动物园”中最极端的物体,迄今为止,也正是它一直在引发时空震荡。

LIGO 探测到的两个黑洞合并过程的效果图。天文学家周四表示,他们通过一对巨大黑洞的合并感受到了被称为“引力波”的时空振动。此次合并导致了一个无限深邃的黑洞。图片版权:Aurore Simonnet/Sonoma State/Caltech/MIT/LIGO

LIGO Scientific Collaboration 是由大约一千名使用 LIGO 数据的天文学家和物理学家组成的国际网络,这个网络和欧洲一个名为 Virgo 的类似组织共同完成了一篇关于最近这次事件的报告。该报告包含 1300 位作者,将于周四发表在 Physical Review Letters 期刊上。LIGO Scientific Collaboration 发言人、麻省理工学院物理学家戴维·舒梅克(David Shoemaker)表示:“我们基本上正在摆脱对于黑洞的无知状态。现在我们可以严肃地说,我们正在发展黑洞天文学。”

LIGO 实验室是一个规模较小的科学家组织,也是 LIGO 天文台的建设者和管理者,总部位于加州理工学院。实验室主任戴维·赖茨(David Reitze)表示:“我们正在开始填补宇宙黑洞的巨大知识空白。”

在 40 年时间里为 LIGO 投入 10 亿美元的美国国家科学基金会做出了自豪的回应。基金会主任弗朗斯·科多瓦(France Cordova)在一份声明中表示:“这正是我们投资于 LIGO 时希望获得的回报:通过对引力波的探测,以前所未有的方式更加深入地探索时空。在这个例子中,我们探索了大约 30 亿光年以外的事情!”

在最近的 LIGO 事件中,一个质量为太阳 19 倍的黑洞与一个质量为太阳 31 倍的黑洞结合在一起,形成了一个质量为太阳 49 倍的黑洞。在最后的疯狂合并时刻,它们以引力波的形式释放出了巨大的能量,超过了可观测宇宙中所有恒星释放的能量。

被称为 GW170104 的双黑洞合并事件及其对时空歪曲效果的仿真。LIGO/Caltech/MIT/SXS Collaboration

经过持续 30 亿光年(即宇宙年龄四分之一)的旅程,这些引力波开始导致 LIGO 镜片以每秒钟 20 次的频率来回抖动,幅度为原子直径的若干分之一。这种抖动的频率在大约十分之一秒的时间里提高到了每秒 180 个周期,随后突然中断。

1 月 4 日上午,坐在办公室里的哥伦比亚大学天文学家茹然瑙·玛尔卡(Zsuzsanna Marka)收到了一个电子邮件提示。她笑了起来。随后,她想到屋子里还有一个人,这个人并不是 LIGO 成员,因此她无法说出自己发笑的原因。

“所以我就一直笑啊笑,”她说。

进一步分析表明,就像爱因斯坦的方程预测的那样,这是一个完美的线性调频信号。由于此次合并的距离非常遥远,因此 LIGO 科学家可以证实,不同频率的引力波具有相同的传播速度,而且很可能是光速。正如赖茨博士所说,“爱因斯坦再次取得了胜利。”

“这并不令人吃惊。在某个地方,他一定会犯错误,我们等着瞧吧,”赖茨博士补充道。

可怜的爱因斯坦。

黑洞是他的广义相对论得的一个完全不受欢迎的结论。这种理论将引力解释成物质和能量对时空几何的弯曲。根据相对论方程,如果过多的质量处于同一个位置,空间可能会把自己弯曲成一个极为紧密的球体,即使光线也无法逃逸出去。实际上,爱因斯坦的理论表明,像死星这样的物体可能会从宇宙中消失,仅仅留下一个具有引力的“幽灵”。

爱因斯坦认为自然界不会出现如此愚蠢的现象。不过天文学家现在相信,天空中散布着恒星将所有燃料耗尽并坍缩后留下的致密而黑暗的遗迹,这种坍缩常常伴随着超新星爆炸。过去,我们只能通过 X 射线的光亮和其他辐射对其进行间接探测。这些辐射是由那些围绕“宇宙下水道”旋转时被加热到极高温度的即将毁灭的物质发出的。

不过, LIGO 这样的仪器现在可以感受到(或者说“听”到)望远镜无法看到的事物。

引力波在以光速传播时,会对空间交替进行拉伸和挤压。LIGO 的设计原理,是用激光监测华盛顿州汉福德市和路易斯安纳州利文斯顿市一对 L 形天线的镜片距离,以寻找引力波导致的变化。意大利也有一个天线,叫做 Virgo,目前正在进行最后的测试。Virgo 可能会在今年夏天晚些时候上线。届时,三台探测器将极大地提高天文学家判断引力波来自何处的能力。

这些探测器经过了 40 多年的设计、制造和改造,以探测中子星碰撞——中子星是某些类型的超新星爆炸遗留下来的密度极大的物体。天文学家知道,宇宙中存在大量的成对中子星,它们一定会在某一天以剧烈的方式走向终结。

涉及更大质量的黑洞碰撞更容易探测,但 LIGO 的创建者和位于国家科学基金会的投资者几乎不知道我们周围是否存在能够被探测的黑洞碰撞。

现在,他们知道了。

目前的天文台版本被称为“高级 LIGO”。当它在 2015 年 9 月为首次正式观测运行做准备时,探测器记录到了一对黑洞的碰撞。这对黑洞的质量分别是太阳的 36 倍和 29 倍。2015 年 12 月 26 日的第二次碰撞也被确认为大型黑洞碰撞。LIGO Scientific Collaboration 表示,同年 10 月的第三次事件很可能是一次黑洞合并。

目前亟待解决的问题是:这些巨大的黑洞是从哪儿来的?

哥伦比亚大学物理学教授、LIGO 成员绍博尔奇·玛尔卡(Szabolcs Marka)最近表示:“这些巨大的双黑洞是如何被创造出来的?它们是如何形成的?这的确是我们这个领域如今最重要的问题之一。”

一种可能是,它们最初就是一对相互环绕的巨大恒星。它们演化、死亡、爆炸并坍缩成黑洞。在这些剧烈的恒星活动中,两颗恒星都没有在某个阶段被踢出系统。

另一种可能是,两个预先存在的黑洞在星系中某个拥挤的部位(比如黑洞自然聚集的星系中部)偶然相遇,并且通过引力相互捕捉在了一起。

天文学家无法判断他们更喜欢哪种解释,这需要更多的数据支持。不过,在对 1 月 4 日线性调频信号的分析中,人们发现了被赖茨博士称为“诱人暗示”的现象,这一现象涉及黑洞的旋转方式。

赖茨博士解释说,如果演变成黑洞的恒星曾在二元系统中共同生长和演化,它们的旋转应该是一致的,它们应该像奥运会上获得金牌的两位花样滑冰选手一样围绕平行的轴线旋转。

赖茨博士表示,对于 1 月调频信号的研究表明,两个黑洞的旋转似乎并不一致,这使它们在共舞中的整体运动方式变得更为复杂。

“这不是一种简单的华尔兹,它更像是两个人在跳霹雳舞,”赖茨博士说。

至于这些“黑色舞者”最初的星球身份,芝加哥大学的丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)表示,研究人员一致认为,它们很可能是质量很大的原始恒星,其重量至少是太阳的 40 倍。

根据理论计算,由原始的氢和氦组成、缺少氧和碳等重量更大的元素(被精于命名法的天文学家称为“金属”)的恒星可能会变得极为庞大。当它们短暂而狂暴的生命结束时,可以在不发生超新星爆炸或不燃放其他“宇宙烟花”的情况下,直接坍缩成黑洞。

霍尔兹博士在一封电子邮件中表示:“一些最为剧烈的星球坍缩不会导致照亮星系的星球爆炸;相反,你只会看到恒星在闪烁中消失。想到这一点你会感到很奇怪。不过,这正是理论上应该出现的结果。”

仿佛是为了印证他的话语,俄亥俄州天文学家上周报告说,一颗名为 N6946-BH1 的巨大恒星突然消失了。这颗恒星位于 2200 万光年以外的一个螺旋星系之中,该星系被昵称为“烟花星系”,因为这个星系发生了许多超新星爆炸。

据估计,这颗恒星的重量为太阳的 25 倍。它从 2009 年以来一直在发光,并且被认为正处于转变成超新星的过程中。不过,它在 2015 年突然熄灭了。在用哈勃和斯皮策太空望远镜对其遗迹进行搜寻以后,天文学家认为这颗恒星很可能无法变成超新星了,因为它已经坍缩成了黑洞。

在俄亥俄州发布的新闻中,这项发现的一位共同领导者克里斯·施塔内克(Kris Stanek)表示,他们的发现有助于解释 LIGO 的结果,以及天文学家无法看到由非常巨大的恒星演化而成的超新星的原因。“我的猜测是,如果没有超新星,恒星很可能会变成非常巨大的黑洞,”施塔内克说。

施塔内克博士在一封电子邮件中写道:“我显然存在偏向性,但我认为这是一个非常重要的发现。而且,学界还没有充分而深刻地认识到它对许多事情的影响,包括 LIGO 的结果。”

霍尔兹博士同意这种观点。他表示:“我们认为这可能是‘重型’黑洞的形成渠道,以实时方式观看这个过程是一种令人震撼的经历。”他指出,LIGO 的观测结果在某种意义上是发生碰撞的黑洞的死亡,“所以在某种意义上,我们现在可以同时看到黑洞的出生和死亡。”


翻译 熊猫译社 刘清山

题图来自 Sci-News.com

© 2017 THE NEW YORK TIMES

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