愛因斯坦又對了！在19億光年外的黑洞合併中，發現高次諧波引力波！
2020-10-18 博科園
引力波研究界的期望已經實現：引力波的發現，現在已經成為這些科學家們日常工作的一部分，因為在過去的觀測中，發現了大約每周一次的O3新引力波候選者。但現在，研究人員發現了一個不同於以往任何一個信號的顯著信號：GW190412是O3首次觀測到的雙星黑洞合併，其中兩個黑洞的質量截然不同，大約是太陽的8倍和30倍。
這不僅使系統的天體物理性質有了更精確測量，而且也使LIGO/室女座的科學家們：能夠驗證愛因斯坦廣義相對論到目前為止還沒有經過測試的預測。馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所；AEI）獨立馬克斯·普朗克研究小組「雙星合併觀測與數值相對論」的負責人Frank Ohme說：這是我們第一次在GW190412中『聽到』明確無誤的高次諧波引力波嗡嗡聲，類似於樂器的泛音。
證實廣義相對論的預測
在像GW190412這樣質量不等的雙星黑洞系統中，這是第一次觀察到這種類型：引力波信號中的這些泛音，比通常觀測到的要大得多。這就是為什麼以前聽不到它們的原因，但在GW190412中，終於可以聽到了。這次觀測再次證實了愛因斯坦的廣義相對論，廣義相對論預言了這些高次諧波的存在，也就是說，引力波的頻率是目前觀測到基頻的兩到三倍。
波茨坦阿爾伯特·愛因斯坦研究所「天體物理和宇宙相對論」系的博士生羅伯託·科特斯塔(Roberto Cotesta)說：位於GW190412中心黑洞的質量分別是太陽的8倍和30倍，這是觀察到第一個兩個黑洞質量相差如此之大的雙星黑洞系統！這種巨大的質量差異，意味著可以更精確地測量該系統的幾個屬性：它到地球的距離、我們看它的角度，以及重黑洞繞其軸旋轉的速度有多快。
前所未有的信號
2019年4月12日，LIGO探測器和室女座探測器都觀測到了GW190412，也就是探測器第三次觀測運行O3的早期。分析顯示，合併發生在距離地球19億至29億光年的地方。這個新的不等質量系統是一個獨特發現，因為LIGO和室女座探測器之前觀測到的所有雙星黑洞，都由兩個大致相等的質量組成。不相等的質量在引力波信號上留下了印記，這反過來又使科學家能夠更精確地測量該系統的某些天體物理性質。
高次諧波的存在，使得打破到系統的距離和觀察其軌道平面角度之間的模糊性成為可能；因此，這些性質可以比沒有高次諧波的等質量系統以更高的精度被測量。波茨坦阿爾伯特·愛因斯坦研究所「天體物理和宇宙相對論」部門主任、馬裡蘭大學學院公園教授亞歷山德拉·布南諾(Alessandra Buonanno)說：在O1和O2期間，研究人員觀察到了由恆星質量黑洞組成雙星群體的冰山一角。
由於靈敏度的提高，GW190412已經開始揭示了更加多樣化的系統，其特徵是質量不對稱高達4倍，黑洞的自轉速度約為廣義相對論允許最大值的40%。阿爾伯特·愛因斯坦研究所的研究人員對檢測和分析GW190412做出了貢獻，並提供了來自合併黑洞引力波的精確模型，其中首次包括了黑洞自旋的進動和超出主導四極杆的多極矩。那些印在引力波波形上的特徵，對於提取有關信號源特性的獨特信息和進行廣義相對論測試至關重要。
檢驗愛因斯坦的理論
LIGO/室女座的科學家，還使用GW190412來尋找信號與愛因斯坦廣義相對論預測的偏差。儘管該信號具有與迄今發現的所有其他信號不同的性質，但研究人員無法發現與廣義相對論預測有顯著差異。
改進國際探測器網絡
這是國際引力波探測器網絡第三次觀測（O3）中的第二次發現，三個大型探測器的科學家已經對儀器進行了幾次技術升級。阿爾伯特·愛因斯坦研究所所長、漢諾瓦萊布尼茨大學引力物理研究所所長卡爾斯滕·丹茲曼(Karsten Danzmann)說：在O3期間，壓縮光被用來提高LIGO和室女座的靈敏度。這種仔細調節雷射量子力學特性的技術，是德國-英國探測器GEO600率先採用的。
AEI正在領導世界範圍內最大限度地提高擠壓程度的努力，這已經將GEO600探測器的靈敏度提高了兩倍。而且在這項技術方面的進步，將使所有未來的引力波探測器受益。探測器網絡已經對O3中可能發生的56個引力波事件(候選事件)發出警報。在這56個信號中，另一個確認信號GW190425已經發布。LIGO和室女座的科學家，正在檢查所有剩餘的54個候選者，並將公布所有詳細後續分析確認其天體物理起源的候選者。
參考期刊《arXiv》
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