碰撞後的多次「啁啾」，成為破譯黑洞形狀的新線索

2020-10-09 科學大觀園雜誌


圖片來源：ARC引力波發現卓越中心

美國「物理學組織」網站10月7日報導，由ARC引力波發現卓越中心（OzGrav）領導的一個引力波研究小組近日在《通訊物理》雜誌上發表論文稱，當兩個黑洞碰撞合併時，最終形成的黑洞會不止一次地發出「啁啾」信號，發射可以用於揭示其形狀信息的引力波。

黑洞是宇宙中最迷人的天體之一。在它們的表面（所謂的「視界」），引力大到連光都無法逃離。通常情況下，黑洞都會靜靜地吞噬近距離物體。然而，當兩個黑洞發生碰撞並且彼此合併時，宇宙中最具毀滅性的事件就發生了：一個高度變形的黑洞會瞬間形成，並在達到穩定的最終狀態時釋放出巨大能量。

這為科學家提供了觀察快速變化的黑洞以及探索最極端形式引力的絕佳機會。雖然碰撞中的黑洞不會產生光，但天文學家可以探測到它們產生的時空漣漪——引力波。


圖a為黑洞碰撞及合併過程；圖b最左為正常觀測下的引力波頻率，其餘為黑洞「赤道」觀測的引力波頻率。

論文作者、美國喬治亞理工學院的Christopher Evans說：「我們使用超級計算機模擬了黑洞的碰撞，然後比較了黑洞快速變化的形狀和它所發出的引力波。我們發現這些信號比通常認為的更豐富、複雜，能夠幫助我們更好地理解黑洞形狀。」

文章對引力波如何「編碼」殘留黑洞形狀進行了相應闡述。

黑洞碰撞產生的引力波是一種被稱為「啁啾（chirps）」的簡單信號。當兩個黑洞彼此接近時，它們會發出一個頻率及振幅越來越大的信號。這可以體現黑洞的軌道速度和軌道半徑。而在碰撞發生之後，最終形成的黑洞會發出一個音調恆定、振幅衰減的信號。該原理與迄今為止所有的引力波觀測結果是一致的。

然而研究發現，如果在最終形成黑洞的「赤道」觀察碰撞，會得到一些完全不同的觀察結果。「當我們從黑洞的『赤道』觀察它們時，會發現最終黑洞其實發出了更加複雜的信號——在信號消失之前，它的音調會上下起伏好幾次。」


「慄子」形黑洞。

研究的領導者Calderón Bustillo教授說，「換句話說，黑洞實際上『啁啾』好幾次了。」

這與最終合併形成的黑洞形狀相關。「如果兩個原始黑洞的形狀不同，最終黑洞的形狀就會像個慄子——一端尖，另一端則更寬且更平滑。」 Bustillo教授說，「事實證明，黑洞會通過其最彎曲的區域，也就是其尖端周圍的區域，釋放出更強烈的引力波。這是因為最終黑洞也在旋轉，它的尖端和背面反覆指向所有的觀察者，產生了多次『啁啾』。」

原創編譯：橘子 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《通訊物理》

期刊編號：2399-3650

原文連結：https://phys.org/news/2020-10-black-hole-chirps-scientists-clues.html#!

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