時空漣漪!13億光年之外的黑洞碰撞,人類首次探測到引力波信號

2020-12-27 騰訊網

十倍於全宇宙光度的能量，傳播數億光年，黑洞碰撞的力量

圖解：黑洞合併概念圖 圖源：scitechdaily

2015年9月14日，漢福德和利文斯頓的雷射幹涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, 以下簡稱LIGO）探測器都觀測到了信號GW150914。這是人類首次探測到的引力波信號。這個信號最初是被所謂的低延遲搜索方法發現的。這種方法通過搜索引力波的波形圖案，而不對波形細節建模以加速分析探測器數據。這些高效搜索方法在信號到達探測器僅3分鐘後就報告了可能的事件。隨後，再將LIGO幹涉儀記錄的引力波數據和理論上的引力波預測波形進行比較。比較的方法被稱為匹配濾波器，用於尋找與測量數據最匹配的理論波形。

上圖展示了這種深入分析的一些關鍵結果，能清楚地表明GW150914是由兩個黑洞合併時發出的。該圖的中間部分顯示了漢福德探測器測得的引力波應變。值得注意的是，測量到的波形（灰色）和由廣義相對論推演的黑洞合併波形（紅色）之間的一致性令人印象深刻。

圖解：GW150914黑洞合併前後引力場變化模擬圖 圖源：LEGO/Georgia-Tech

合併中的黑洞事件視界的各個階段如圖所示：旋進階段，兩個黑洞以螺旋狀相互接近；合併階段，兩個黑洞合併；隨後的衰變階段（震蕩漸停），新形成的單個黑洞短暫振蕩，然後歸於靜止。

通過引力應變數據與理論預測的比較，我們可以檢驗廣義相對論是否能完全描述這一事件。愛因斯坦的理論完美地通過了這一檢驗，所有觀測到的數據都與預測的一樣。我們還可以利用這些數據來確定GW150914的一些具體屬性：包括合併前兩個黑洞的質量、剩餘黑洞的質量以及和我們的距離。

結果顯示，GW150914來自於兩個黑洞的融合，這兩個黑洞的質量分別是我們太陽的36倍和29倍，合併後的黑洞質量是太陽的62倍。我們還推斷出合併後的黑洞具有 "自旋"，即圍繞自己的軸心旋轉。1963年，數學家羅伊-科爾首次在理論上預言了自旋黑洞的存在。最後，我們還得知了 GW150914的源頭在13億光年以外。LIGO探測器觀測到的是一個發生在億萬年前天壤懸隔的其它星系的真正舉世矚目的大事件！

圖解：黑洞的自旋形態，

X射線強度與能量的關係。圖源：NASA/JPL-Caltech

通過比較黑洞在合併前後的質量，我們可以看到，這一驚人的碰撞將三個太陽的質量(近六億億億千克)轉化為引力波能量，其中大部分在零點幾秒內被釋放。相比之下，太陽每秒鐘只將其質量的二十萬億億分之一轉化為電磁輻射。事實上，GW150914在短暫瞬間釋放的引力波的威力，是可觀測宇宙中所有恆星和星系總光度的十倍以上。

圖解：卡岡圖雅，來自電影作品《星際穿越》，質量達到了1億個太陽。

GW150914合併前兩個天體的巨大質量提供了兩者都是黑洞的強有力的證據。特別是考慮到兩個天體之間巨大的相對速度和微小的距離，其相對運動速度已經達到了光速的顯著比例，而距離僅數倍於黑洞的特徵尺寸，即史瓦西半徑。

這表明兩個天體在合併發生前不久只相距幾百公裡，當時的引力波頻率約為150赫茲。而黑洞是唯一已知的緊湊到可以互相靠近而不合併的物體。根據測量確定的雙星系統的總質量，即使是一對中子星也不會有足夠的質量，而一對中子星和黑洞的合併頻率則會低於150赫茲。（引力波的頻率與產生引力波源之間距離成反比）

圖解：GW170817，兩顆中子星合併的模擬圖。與兩顆黑洞合併不同，中子星合併產生的引力波頻率會小於黑洞合併，但中子星碰撞能產生全頻譜的電磁輻射，這也是為什麼光學天文望遠鏡也能觀測到的原因。 圖源：LIGO

作者: quora

FY: 漫步者的友人

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