發現兩個黑洞正在合併：產生高次諧波引力波，驗證了廣義相對論

2020-09-05 博科園

科學家們觀察到看起來像是一個膨脹黑洞與一個更普通的黑洞糾纏在一起。包括馬裡蘭大學物理學家在內的研究小組探測到兩個黑洞正在合併，但其中一個黑洞的質量，是在黑洞碰撞中觀察到黑洞的1.5倍。研究人員認為，這兩個黑洞中較重的一個黑洞，可能是兩個黑洞之前合併的結果。這種類型的黑洞分層組合在過去一直被假設，但標記為GW190521觀察到的事件，將是這種黑洞的第一個證據。

雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)科學合作(LSC)和室女座引力波天文臺的研究成果，現在在發表在《物理評論快報》和《天體物理學》期刊上的研究論文中宣布了這一發現。科學家們通過探測在黑洞合併最後時刻產生的引力波，來識別合併的黑洞。LIGO探測器和處女座探測器探測到了來自GW190521的引力波。馬裡蘭大學物理學教授、LSC首席研究員、LSC觀測科學協調員彼得·肖恩說：這兩個黑洞中較大黑洞的質量，使其進入了常規天體物理過程中意想不到的範圍。

它似乎太大了，不可能是由坍塌的恆星形成，而坍塌的恆星通常就是黑洞的來源。合併對中較大黑洞的質量是太陽的85倍，新研究提出的一種可能情況是：較大天體可能是之前黑洞合併的結果，而不是一顆坍塌的恆星。根據目前的理解，可以產生質量比太陽大65到135倍黑洞的恆星在死亡時不會坍塌。因此，研究預計它們不會形成黑洞。馬裡蘭大學教授、LSC首席研究員亞歷山德拉·布南諾(Alessandra Buonanno)說：

從一開始，這個只有十分之一秒長的信號就對我們確定其來源提出了挑戰。但是，儘管持續時間很短，還是能夠像愛因斯坦廣義相對論預測的那樣，將信號與預期的黑洞合併相匹配，而且意識到，這是我們第一次目睹了一個中等質量黑洞的誕生，這個黑洞的母體很可能是從較早的雙星合併中誕生。GW190521是新發現的三個引力波之一，這些發現挑戰了目前對黑洞的理解，並允許科學家以新的方式測試愛因斯坦的廣義相對論。

驗證廣義相對論的新方式

另外兩個事件包括首次觀察到的兩個質量明顯不等的黑洞的合併，以及黑洞和神秘物體的合併，這可能是迄今為止觀察到的最小黑洞或最大中子星。我們不僅對一般黑洞有了更多的了解，而且由於這些新的性質，能夠看到這些緻密天體周圍的引力效應，這是我們以前從未見過的，這給了科學家一個以新方式測試廣義相對論的機會。例如，廣義相對論預測，質量明顯不等的雙星系統，將產生高次諧波的引力波，這正是科學家們首次能夠觀察到的。

高次諧波就像音樂家演奏相同樂器的音樂二重奏與不同樂器之間的聲音差異。雙星的子結構和複雜性越高（例如黑洞的質量或自旋不同）發射的輻射光譜就越豐富，這些性質擴展了我們可以學習的天體物理學知識。

博科園｜研究/來自：馬裡蘭大學

參考期刊《物理評論快報》《天體物理學》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.101102

DOI: 10.3847/2041-8213/aba493

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