兩個只進不出的黑洞融合,怎麼丟了三個太陽,丟哪去了?

2020-12-05 科學美少男

這是熊瞎子盯著西瓜,丟苞米的問題,不過這題屬實有點難。黑洞融合除了黑洞本身,還關係到時空。質量和能量本為一家,能量是質量,質量是能量,勢能也是能量,所以勢能也是質量,除了要考慮黑洞的質量之外,還要考慮結合過程中勢能的變化,時空結構的變化。

圖:兩個正在合併的黑洞,尤其是在合併的最後階段,會發出大量的引力波。

引力波

早在一百多年前,愛因斯坦就通過《廣義相對論》預測到引力波的存在,而第一次檢測到較大的引力波則跨越了一個世紀.。2015年,雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)檢測到兩個黑洞合併產生的引力波數據。

不過,從LIGO發現的數據中可以發現:黑洞合併質量的似乎以輻射形式散失了一部分,導致合併之後的質量比原來兩個黑洞的總質量要小。然而,人們普遍認為沒有任何東西能逃脫黑洞,那黑洞合併產生的能量是如何消失的呢?這涉及到黑洞和廣義相對論的核心。

圖:黑洞及其周圍、加速和下落的吸積盤的圖解。奇點隱藏在視界後面。

黑洞所有的質量和能量都集中在中心的奇點,由於進入視界中的光無法逃脫,所以外部觀察者永遠看不到它。在視界內,任何粒子所能走的任何路徑,無論是具有質量,還是只具有能量,都將被帶進黑洞的奇點中。這意味著一旦你進入視界,你就會成為奇點的一部分,包括質量、電荷和旋轉的動力。

圖:時空的漣漪出現在黑洞相互環繞軌道的頻率上,而且越靠近黑洞,漣漪的強度就越大。

另一方面,愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,當兩個質量(任何類型)相互環繞時,當軌道本身衰變時,它會在空間結構中產生漣漪。這些被稱為引力波的漣漪以光速運動,導致空間在通過它時發生膨脹和收縮,並攜帶能量。

根據愛因斯坦最著名的方程,E = mc2(或者,如他最初寫的,m = E/c2),我們知道一個能量來源是質量,一個質量來源是能量。它們可以相互轉化;質量只是能量的一種特殊形式。

丟了3個太陽

圖:來自LIGO首次探測到引力波較大幅度的數據。

當LIGO公布的結果時,對於結果大家有點奇怪,他們發現兩個黑洞分別是36和29倍太陽質量,合併在一起來創建一個新的62倍太陽質量的黑洞。其他3個太陽質量(約佔整個系統質量的5%)去了哪裡?後來再次探測到的數據,也出現了相同的情況。兩個質量相當的黑洞融合在一起,它們最初質量的5%以引力波的形式被輻射出去。

找到了

每個黑洞都有一個視界,每一對在合併前都有一個,合併後的最後一個黑洞也有一個,在合併過程中,視界也不會顯現出奇點,完全是「暗箱操作」,質量是怎麼出來的呢?

圖:任何物體或形狀,無論是物理的還是非物理的,在引力波通過時都會被扭曲。請注意,黑洞的視界內從來沒有發射出任何波。

這不僅僅是問題;還是個腦筋急轉彎!這就像問質子在太陽中融合成氘,氦-3和氦-4時質量去了哪裡。為什麼氦-4的質量比組成它的4個質子要小?因為原子核的結合能,與非束縛態相比,束縛態更穩定,能量更少(因此質量更小)。

當兩個黑洞合併,這兩個黑洞變得比以前更受束縛,更受引力束縛。它們失去的能量是由於引力結合能,而不是因為任何一個黑洞中的質量脫離了視界。

圖:牛頓的萬有引力定律已經被愛因斯坦的廣義相對論所取代,但它仍然是一個用來觀察力和能量等物理量的說明性工具。

你可以從牛頓引力看出這一點。假設你有兩個質量各為1千克的物體,它們處於靜止狀態,彼此之間相隔無限遠。它們在這個系統中有一定的能量,可以利用愛因斯坦方程E = mc^2,算出結果為1.8 × 10^17焦耳。現在我們改變它們的距離,讓引力顯現。

如果它們相隔1千米,整個系統就損失了6.67 × 10^-14焦耳的能量。如果把間隔減小到1釐米,系統就會損失6.67 × 10^-9 焦耳。如果把距離縮小到質子大小,即10^-15米,系統就會損失 6.67 × 10^4焦耳,或者66700焦耳能量。如果想要損失相當大的能量,你可以想像一下,把這個距離一直減到10^-27米,就會損失 6.67 × 10^16 焦耳,大約是原始能量的35%。(哈哈,是不是發現新大陸了)

圖:光和空間的漣漪,當光通過扭曲的空間時,它改變了其他位置的觀察者對光的時間流逝的感知。

當然,在這些尺度上宇宙應遵循廣義相對論,而不是牛頓引力,但情況是一樣的。這說明可並非是黑洞正在失去質量,而是說時空中的總能量正在從「兩個完全分離的、未結合的質量」的形式,轉變為,「一個緊密結合的質量加上引力輻射」的形式。

原始黑洞軌道特性和質量決定了原始總質量中有多少百分比變成了結合能。但在最終質量總是大於原來任意一個黑洞的質量,但小於原始質量的總和。

如果兩個黑洞質量大致相同,那麼最大輻射量約為5%。如果它們旋轉會產生大量的能量,並且旋轉方向一致,那麼這個比例就會上升到11%左右。如果其中一個質量比另一個大得多,百分比就會下降;例如:一個1倍太陽質量的黑洞與一個100萬倍太陽質量的黑洞合併,只能釋放出0.0001%的能量。

總結

圖:兩顆相互環繞的恆星的效果圖,它們從左到右逐漸合併成引力波。這可能是短周期伽馬射線爆發的起源,也是引力波的來源。

吸引和合併並不會導致黑洞內部的釋放出任何東西,本質是時空發生變形,從而改變兩個黑洞合併前和合併後的勢能。在視界與視界融合瞬間,因為劇烈碰撞,引力波會達到最大,然後衰減,但不會有粒子從黑洞裡出來。當視界會恢復到球形或者橢圓球形,引力波停止輻射,一切歸於正常。

圖:黑洞融合最後階段到平穩

愛因斯坦的預測非常清楚,所以我們能事先知道,進行探測,我們已經提前計算出要尋找什麼信號。雖然有的時候,我們的主觀意識可能會給我們錯誤的引導,但我們有方程啊!數學計算是真的,即使我們感覺錯了,計算也會給我們科學的真理。

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