黑洞碰撞重塑物理
时间:2017-12-07

  黑洞碰撞重塑物理学 - 新闻 - 科学网

  在宇宙尺度上,这次事件是一场灾难性的黑洞合并,导致周围的时间和空间结构猛烈地,空间地,瞬间地以整个宇宙的速度称为引力波动。

  然而,这是地球上物理学家等待的那种灾难。去年9月14日,当新升级的LIGO掠过涟漪时,他们在路易斯安那州和华盛顿的两个L形探测器读数达到峰值。这是科学家第一次记录引力波信号。

  LIGO团队成员和芝加哥大学天体物理学家Daniel Holz说:“它非常强大而美丽,对于两个探测器都是如此。尽管信号的形状在理论上是常见的,Holz说,当你看到你的数据中的东西时,你会发现它完全不同。这是一个神圣的时刻。

  这个信号从出现的日期正式命名为GW150914,恰恰被称为物理学的里程碑。它为爱因斯坦的百年广义相对论提供了大量的证据,广义相对论认为物质和能量会扭曲时空,引力则是这种扭曲的结果,斯图尔特·夏皮罗(Stuart Shapiro)伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究人员将最新发现看作是广义相对论自引入以来最重要的证明。

  不过,这一事件也标志着引力波天文学时代的期待已久的开启。对这个信号的详细分析已经深入了解了合并黑洞的性质以及它们是如何形成的。随着越来越多的事件出现(LIGO团队正在分析在调查的四个月中捕获的其他候选人),研究人员将能够像他们正在做的那样分类和理解黑洞的起源“所做的工作。

  应该出现更多这样的事件。自去年9月份以来,升级版的LIGO计划与法国和意大利率领的升级处女座工厂的欧洲同行共同定位。意大利比萨附近的升级处女座不仅将为这些事件提供关键细节,而且还将帮助天文学家比以往更准确地测量宇宙学距离。

  黑洞质量估计

  科学家通过计算机模拟再现事件,计算出这两个黑洞的质量分别是太阳质量的36倍和29倍,黑洞合计是太阳质量的62倍。失去的差别大约是太阳质量的3倍,以引力辐射的形式散射。物理学家大多在一个叫做抑郁症的阶段消散了这些。此时,合并的黑洞变成球形。研究小组还推测,尽管估计有很大的误差,最终的黑洞仍可能以每秒100转的速度旋转。

  推断的两个黑洞的质量也揭示了一些东西。据推测,每个黑洞都是一颗大质量恒星的残余,其中较大恒星的质量接近太阳质量的100倍,另一个较小。这项研究发现,热核反应将这些恒星核心的氢转化为氦的速度要比较轻的恒星早得多,导致自己的压力只有在出生后几百万年才会崩溃。这次崩溃释放的能量引发了称为II型超新星的爆炸,并留下了一个残余的核心,成为一颗中子星。如果它足够大,就会变成黑洞。

  科学家们认为,II型超新星不应该产生大约比太阳质量大30倍的黑洞,而且这两个黑洞都处于这个范围的高端。这意味着该系统是在一个星际气体云中形成的,它比银河星系中常见的气体云更多的氢和氦气,但是相对较少的重元素。

  根据Nemechak大学天文学家Gomes Nelemans的说法,天体物理学家估计,在这种低气质的云气中形成的恒星,在爆炸时更可能形成大量的黑洞。这是因为在超新星爆发期间,较小的原子不太可能被爆炸吹走。结果,低星体失去了较少的质量,更多的质量进入了黑洞。

  两个场景

  但是,二元系统中这两个黑洞是如何结束的呢?在发表报道这一发现的论文的同时,LIGO和Virgo团队在另一篇文章中描述了两种普遍接受的情况。

  最简单的形式是,两颗大质量恒星以二元系统的形式出现,由同样的星际气云组成,如双黄色的卵,现在互相缠绕在一起。数百万年后,其中一颗恒星将会燃尽,成为一颗超新星,而另一颗也将随之而来。结果是一个双星黑洞。

  第二种情况是自己形成两颗恒星,但密度相同的内部星团可能类似于银河系周围的球状星团。在这样一个星团中,大质量恒星定居到中心,通过与较亮恒星的复杂相互作用,形成一个二元系统,可能很长时间后变成黑洞。

  莱顿大学天体物理学家Simon Portegies Zwart所做的模拟表明,大质量恒星更容易在碰撞中形成并且合并更常见的密集星团。他还发现,一旦形成二元黑洞系统,星系团中心的复杂动力可能以高速率击中两颗恒星。由LIGO升级检测到的二进制二进制文件可能距合并前的任何一个星系都有数十亿年的历史。

  太空艺术

  虽然发现更多的这些事件将有助于LIGO的许多科学研究,但它的干涉仪有其固有的局限性,使得有必要与目前正在使用的类似探测器的全球网络一起工作。

  首先,对于科学家来说,LIGO的两个干涉仪还不足以准确地确定引力波的来源,研究人员可以通过比较信号到达每个探测器的时间来获得一些信息:这个差异使得它可以计算引力方向波浪相对于两者之间的虚线而言,然而,对于记录了6.9毫秒时间差的事件,科学家们的计算将这个面积限制在一个大的南天空中。

  如果处女座正在运行,科学家可以通过比较引力波到达三个地方的时间,大大缩小范围。在第四台干涉仪的帮助下,其准确性将进一步提高。目前,日本正在建造称为KAGRA的地下干涉仪,而印度则正在计划自己的LIGO。

  反过来,了解事件的方向将消除确定其距离地球的最大不确定性之一。处女座发言人,罗马大学的物理学家富尔维奥·里奇说,从与探测器垂直的方向接近的引力波将以其实际振幅记录下来。然而,根据一个众所周知的公式,来自天空中其他方向的引力波以一定角度撞击探测器,并产生稍微较弱的信号。甚至会有一些盲点,导致探测器无法找到引力波的来源。

  因此,确定的方向将揭示引力波的确切幅度。通过比较这些数据与源的引力波的振幅(从信号形状中得出),并且通过知道振幅如何随距离减小(可以从爱因斯坦的理论得出),研究人员能够使用更多高精度计算距离的来源。

  这种情况几乎是空前的:按照惯例,天文距离需要通过研究太阳系中已知物体对遥远星系的亮度来计算。然而,中间的天体使这些测量的标准蜡烛的亮度变暗。引力波消除了这个限制。 (宗华)

  “中国科学”(2016-04-20第3版国际)