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引力波天文学开启黑洞研究新纪元

发布时间:2019-12-03 09:52:17
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  编译:雷丰图

  改编自:https://www.space.com/black-hole-symphony-gravitational-waves.html,https://www.youtube.com/watch?v=-5Vv9oxOP1M

  黑洞是宇宙中最迷人的天体之一,但同时也是最难以捉摸的,它们异常致密,以至于光都无法逃脱。为了进一步研究黑洞背后的秘密,科学家们转向了一个新兴的领域:引力波天文学。

  引力波是超大质量天体造成时空的扭曲或者“涟漪”。在 2015 年,天文学家第一次用激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到引力波。这次引力波是由一组双黑洞系统(两个互相环绕的黑洞)剧烈地相撞形成的。


Credit:MIT News

  激光干涉引力波天文台,每一个都带有两个 4 千米长的臂并组成L型,它们分别位于相距 3000 千米的美国南海岸 Livingston 和美国西北海岸 Hanford。每个臂由直径为 1.2 米的真空钢管组成。

  范德堡大学天体物理学家、该项目的主编卡兰·贾尼(Karan Jani)向媒体介绍:“刚加入 LIGO 时,我就意识到之前用广义相对论模拟黑洞模型的经验可以应用到中等质量黑洞的搜寻当中。”

  中等质量黑洞介于超大质量黑洞(超过太阳的一百万倍)和恒星级黑洞(质量相对较小,太阳质量的5-50 倍)之间。“中等质量黑洞对于开创引力波天文学的十年有着特殊的含义。从我们已知的天体中, 它们所释放的引力波最容易被 LIGO 和 LISA (激光干涉空间天线)探测到。通过这两种方法,我们能够监视宇宙中近乎所有的中型双黑洞系统。”


中等质量黑洞是宇宙中最难判断的天体之一。Credit:中国数字科技馆

  但是,天文学家们还未能直接探测这些中型黑洞。他的方法是通过黑洞所释放出的引力波中不同的振动频率来研究它们的活动。正如交响乐团演奏时的声波拥有不同频率,黑洞所释放出的引力波也存在不同的频率,有些频率的带宽极大,有些却相对较小。在引力波研究的下一个阶段,我们的目标将是捕捉不同频率的信号来听一首来自黑洞的“完整乐曲”。

  中型黑洞也被认为是超巨型黑洞的种子。举个例子,黑洞通常靠吞噬其他黑洞来“成长“。在黑洞周围会形成一圈被捕捉的物质,也就是吸积盘,强大的引力会吸引住周围的气体、恒星、甚至是另一个黑洞。任何物质在太过靠近时会掉入事件视界,就此永久留在黑洞里而无法逃逸。每当中型黑洞将另一个黑洞困在自己旁边时,其引力场就会出现扰动,LIGO 因而能够通过这一扰动来判断发生的事件。


双黑洞系统引力波示意图。Credit: 新浪

  由欧空局和美国宇航局合作的 LISA 预计将于 2034 年发射,将会是第一个搜寻引力波的太空探测器。LISA 的任务是探测并对低频率的引力波进行精确测量。这种程度的测量是地球上所不能进行的。在地球上,即使是一辆路过的车辆所引起的震动都会影响探测器的准确性。通过 LISA,我们可以在中型黑洞撞击的几年前就开始监视,这种引力波是直接由事件视界外时空扭曲造成的。与无线电波或X射线不同的是:引力波所传递的信息在穿行数光年的途中不会丢失一分一毫。

  因此,在结合了 LIGO 观测的高频段引力波以及后续 LISA 测量的低频段引力波信息,科学家们有希望填充当前对黑洞认知的空白。


LISA 概念图。Credit:Telescoper

  引力波的提出可以追溯到牛顿时期。在提出万有引力后,人们发现经典物理所形容的引力似乎是一种超距作用,然而超距作用并不能说服科学家们,因而拉普拉斯率先提出,引力是通过引力场传播的。

  时间来到十九世纪,大名鼎鼎的麦克斯韦方程组问世,预测了电磁波的存在还证实了电磁波是有速度的(光速),因此电磁力并非是超距作用。那么,正如电磁力是由电磁场传播的,而电磁场(电荷)的震荡会形成电磁波,引力也是由引力场传播的,那么物质的振荡是否也会产生相应的“引力波”。至此,引力波的概念正式形成。


引力场概念图。Credit:知乎论坛

  此后,经典物理几乎再也没有用武之地,因为牛顿时代的质量和能量并不能划等号,能量守恒和质量守恒是两个分开的定律。人们可以理解电磁波的原因是因为电本身就是能量,能量的振荡产生携带能量的电磁波,逻辑上来讲没什么问题。但是突然说物质的振荡也能产生携带能量引力波,这就很难想象。

  1905 年,爱因斯坦提出狭义相对论,提出质能等价,再次为引力波的存在提供了可能。十年过去后,爱因斯坦再次提出了一个可以共同描述物质和质量的场方程,这就是广义相对论。从此以后,理论上的引力波彻底定义完成,但是在实验上真正探测到引力波却得等到 100 年后的 2015 年,在数代人的努力之后,LIGO 终于在 2015 年 9 月 14 号采集到了 13 亿光年外两个黑洞合并时所产生的引力波。


与电磁波不同,引力波为柱面波,因而激光干涉仪可以通过激光形状的改变来对引力波进行探测和测量。Credit:知乎专栏

  再回到引力波本身上,在各种宇宙射线和辐射中,为何只有引力波能够突围而出呢?正如前面所说,物质的振荡产生携带能量的引力波,但是物质原本情况下是没有动能或势能的,这看上去好像不符合能量守恒。这就是狭义的伟大之处,正是因为质能统一,引力波所携带的能量其实是运动时物质所损失的质量(物质振荡时会损失一定的质量,但是振荡幅度必须足够大才能产生足以被探测到的质量丢失),所以引力波恰恰是能量守恒的产物。

  由此,在 13 亿年前,一个质量为 29 个太阳质量和一个质量是 36 个太阳质量黑洞在不断接近的过程中高速绕对方旋转,导致整个系统的物质剧烈振荡,最终合并成一个 62 个太阳质量的大黑洞,而 3 个太阳质量的能量通过引力波的形式传播,经过 13 亿年的旅程来到地球,才被精密度极高的 LIGO 探测到。

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