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太空中正在進行著看不見的劇烈變化。
天文學家周四表示，他們通過一對巨大黑洞的合併，感受到了被稱為「引力波」的時空振動。此次距離地球大約 30 億光年的合併導致了一個無限深邃的黑洞，其重量相當於太陽的 49 倍。
這是天文學家 2015 年 9 月用雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）監視宇宙背景以來探測到的第三次。同之前被天文學家視作死星遺蹟的黑洞相比，這些黑洞具有更大的質量。黑洞撞擊
在不到兩年時間裡，該天文臺已經引發了兩次革命。它證實了愛因斯坦很久以前的預測：當巨大的物體帶著它們的重量旋轉時，時空會像碗裡的果凍一樣發生震蕩。而且，它使天文學家近距離接觸到了，這是愛因斯坦「宇宙動物園」中最極端的物體，迄今為止，也正是它一直在引發時空震蕩。巨大的黑洞
LIGO 探測到的兩個黑洞合併過程的效果圖。天文學家周四表示，他們通過一對巨大黑洞的合併感受到了被稱為「引力波」的時空振動。此次合併導致了一個無限深邃的黑洞。圖片版權：Aurore Simonnet/Sonoma State/Caltech/MIT/LIGO
LIGO Scientific Collaboration 是由大約一千名使用 LIGO 數據的天文學家和物理學家組成的國際網絡，這個網絡和歐洲一個名為 Virgo 的類似組織共同完成了一篇關於最近這次事件的報告。該報告包含 1300 位作者，將於周四發表在 Physical Review Letters 期刊上。LIGO Scientific Collaboration 發言人、麻省理工學院物理學家戴維·舒梅克（David Shoemaker）表示：「我們基本上正在擺脫對於黑洞的無知狀態。現在我們可以嚴肅地說，我們正在發展黑洞天文學。」
LIGO 實驗室是一個規模較小的科學家組織，也是 LIGO 天文臺的建設者和管理者，總部位於加州理工學院。實驗室主任戴維·賴茨（David Reitze）表示：「我們正在開始填補宇宙黑洞的巨大知識空白。」
在 40 年時間裡為 LIGO 投入 10 億美元的美國國家科學基金會做出了自豪的回應。基金會主任弗朗斯·科多瓦（France Cordova）在一份聲明中表示：「這正是我們投資於 LIGO 時希望獲得的回報：通過對引力波的探測，以前所未有的方式更加深入地探索時空。在這個例子中，我們探索了大約 30 億光年以外的事情！」
在最近的 LIGO 事件中，一個質量為太陽 19 倍的黑洞與一個質量為太陽 31 倍的黑洞結合在一起，形成了一個質量為太陽 49 倍的黑洞。在最後的瘋狂合併時刻，它們以引力波的形式釋放出了巨大的能量，超過了可觀測宇宙中所有恆星釋放的能量。
被稱為 GW170104 的雙黑洞合併事件及其對時空歪曲效果的仿真。LIGO/Caltech/MIT/SXS Collaboration
經過持續 30 億光年（即宇宙年齡四分之一）的旅程，這些引力波開始導致 LIGO 鏡片以每秒鐘 20 次的頻率來回抖動，幅度為原子直徑的若干分之一。這種抖動的頻率在大約十分之一秒的時間裡提高到了每秒 180 個周期，隨後突然中斷。
1 月 4 日上午，坐在辦公室裡的哥倫比亞大學天文學家茹然瑙·瑪爾卡（Zsuzsanna Marka）收到了一個電子郵件提示。她笑了起來。隨後，她想到屋子裡還有一個人，這個人並不是 LIGO 成員，因此她無法說出自己發笑的原因。
「所以我就一直笑啊笑，」她說。
進一步分析表明，就像愛因斯坦的方程預測的那樣，這是一個完美的線性調頻信號。由於此次合併的距離非常遙遠，因此 LIGO 科學家可以證實，不同頻率的引力波具有相同的傳播速度，而且很可能是光速。正如賴茨博士所說，「愛因斯坦再次取得了勝利。」
「這並不令人吃驚。在某個地方，他一定會犯錯誤，我們等著瞧吧，」賴茨博士補充道。
可憐的愛因斯坦。
黑洞是。這種理論將引力解釋成物質和能量對時空幾何的彎曲。根據相對論方程，如果過多的質量處於同一個位置，空間可能會把自己彎曲成一個極為緊密的球體，即使光線也無法逃逸出去。實際上，愛因斯坦的理論表明，像死星這樣的物體可能會從宇宙中消失，僅僅留下一個具有引力的「幽靈」。他的廣義相對論得出的一個完全不受歡迎的結論
愛因斯坦認為自然界不會出現如此愚蠢的現象。不過天文學家現在相信，天空中散布著恆星將所有燃料耗盡並坍縮後留下的緻密而黑暗的遺蹟，這種坍縮常常伴隨著超新星爆炸。過去，我們只能通過 X 射線的光亮和其他輻射對其進行間接探測。這些輻射是由那些圍繞「宇宙下水道」旋轉時被加熱到極高溫度的即將毀滅的物質發出的。
不過，望遠鏡無法看到的事物。像 LIGO 這樣的儀器現在可以感受到（或者說「聽」到）
引力波在以光速傳播時，會對空間交替進行拉伸和擠壓。LIGO 的設計原理，是用雷射監測華盛頓州漢福德市和路易斯安納州利文斯頓市一對 L 形天線的鏡片距離，以尋找引力波導致的變化。義大利也有一個天線，叫做 Virgo，目前正在進行最後的測試。Virgo 可能會在今年夏天晚些時候上線。屆時，三臺探測器將極大地提高天文學家判斷引力波來自何處的能力。
這些探測器經過了 40 多年的設計、製造和改造，以——中子星是某些類型的超新星爆炸遺留下來的密度極大的物體。天文學家知道，宇宙中存在大量的成對中子星，它們一定會在某一天以劇烈的方式走向終結。探測中子星碰撞
涉及更大質量的碰撞更容易探測，但 LIGO 的創建者和位於國家科學基金會的投資者幾乎不知道我們周圍是否存在能夠被探測的黑洞碰撞。黑洞
現在，他們知道了。
目前的天文臺版本被稱為「高級 LIGO」。當它在 2015 年 9 月為首次正式觀測運行做準備時，探測器記錄到了一對黑洞的碰撞。這對黑洞的質量分別是太陽的 36 倍和 29 倍。2015 年 12 月 26 日的第二次碰撞也被確認為大型黑洞碰撞。LIGO Scientific Collaboration 表示，同年 10 月的第三次事件很可能是一次黑洞合併。
目前亟待解決的問題是：這些巨大的黑洞是從哪兒來的？
哥倫比亞大學物理學教授、LIGO 成員紹博爾奇·瑪爾卡（Szabolcs Marka）最近表示：「這些巨大的雙黑洞是如何被創造出來的？它們是如何形成的？這的確是我們這個領域如今最重要的問題之一。」
一種可能是，它們最初就是一對相互環繞的巨大恆星。它們演化、死亡、爆炸並坍縮成黑洞。在這些劇烈的恆星活動中，兩顆恆星都沒有在某個階段被踢出系統。
另一種可能是，兩個預先存在的黑洞在星系中某個擁擠的部位（比如黑洞自然聚集的星系中部）偶然相遇，並且通過引力相互捕捉在了一起。
天文學家無法判斷他們更喜歡哪種解釋，這需要更多的數據支持。不過，在對 1 月 4 日線性調頻信號的分析中，人們發現了被賴茨博士稱為「誘人暗示」的現象，這一現象涉及黑洞的旋轉方式。
賴茨博士解釋說，如果演變成黑洞的恆星曾在二元系統中共同生長和演化，它們的旋轉應該是一致的，它們應該像奧運會上獲得金牌的兩位花樣滑冰選手一樣圍繞平行的軸線旋轉。
賴茨博士表示，對於 1 月調頻信號的研究表明，兩個黑洞的旋轉似乎並不一致，這使它們在共舞中的整體運動方式變得更為複雜。
「這不是一種簡單的華爾茲，它更像是兩個人在跳霹靂舞，」賴茨博士說。
至於這些「黑色舞者」最初的星球身份，芝加哥大學的丹尼爾·霍爾茲（Daniel Holz）表示，研究人員一致認為，它們很可能是質量很大的原始恆星，其重量至少是太陽的 40 倍。
根據理論計算，由原始的氫和氦組成、缺少氧和碳等重量更大的元素（被精於命名法的天文學家稱為「金屬」）的恆星可能會變得極為龐大。當它們短暫而狂暴的生命結束時，可以在不發生超新星爆炸或不燃放其他「宇宙煙花」的情況下，直接坍縮成黑洞。
霍爾茲博士在一封電子郵件中表示：「一些最為劇烈的星球坍縮不會導致照亮星系的星球爆炸；相反，你只會看到恆星在閃爍中消失。想到這一點你會感到很奇怪。不過，這正是理論上應該出現的結果。」
仿佛是為了印證他的話語，俄亥俄州天文學家上周，一顆名為 N6946-BH1 的巨大恆星突然消失了。這顆恆星位於 2200 萬光年以外的一個螺旋星系之中，該星系被暱稱為「煙花星系」，因為這個星系發生了許多超新星爆炸。報告說
據估計，這顆恆星的重量為太陽的 25 倍。它從 2009 年以來一直在發光，並且被認為正處於轉變成超新星的過程中。不過，它在 2015 年突然熄滅了。在用哈勃和斯皮策太空望遠鏡對其遺蹟進行搜尋以後，天文學家認為這顆恆星很可能無法變成超新星了，因為它已經坍縮成了黑洞。
在俄亥俄州發布的新聞中，這項發現的一位共同領導者克裡斯·施塔內克（Kris Stanek）表示，他們的發現有助於解釋 LIGO 的結果，以及天文學家無法看到由非常巨大的恆星演化而成的超新星的原因。「我的猜測是，如果沒有超新星，恆星很可能會變成非常巨大的黑洞，」施塔內克說。
施塔內克博士在一封電子郵件中寫道：「我顯然存在偏向性，但我認為這是一個非常重要的發現。而且，學界還沒有充分而深刻地認識到它對許多事情的影響，包括 LIGO 的結果。」
霍爾茲博士同意這種觀點。他表示：「我們認為這可能是『重型』黑洞的形成渠道，以實時方式觀看這個過程是一種令人震撼的經歷。」他指出，LIGO 的觀測結果在某種意義上是發生碰撞的黑洞的死亡，「所以在某種意義上，我們現在可以同時看到黑洞的出生和死亡。」
翻譯 熊貓譯社 劉清山
題圖來自 Sci-News.com
2017 THE NEW YORK TIMES