作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/4/20 10:09:55
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黑洞碰撞重塑物理
来自太空重要信号开启引力波天文学新时代

 双星黑洞会以引力波的形式辐射大量轨道能量。图片来源:Mark Garlick

在宇宙尺度上,这次事件是灾难性的——黑洞合并令周围的时间和空间结构发生剧烈摇晃,并且在整个宇宙以光速发出一阵被称为引力波涟漪的时空振动。

不过,这正是地球上的物理学家一直在等待的灾难类型。去年9月14日,当这些涟漪扫过最新升级的激光干涉引力波天文台(LIGO)时,它们以峰值的形式在美国路易斯安那州和华盛顿州两台L形探测器的读数上露面。这是科学家第一次记录下引力波信号。

“就是它!”LIGO团队成员、芝加哥大学天体物理学家Daniel Holz说:“它是如此的强烈和美丽,在两台探测器上都是这样。”尽管信号的形状在理论中很常见,但Holz表示:“当你在数据中看到一些东西时,会发现它完全不同。这是一个神圣的时刻。”

这个以其出现日期被正式命名为GW150914的信号,被恰当地誉为物理学的里程碑。它为阿尔伯特·爱因斯坦的百年广义相对论提供了大量证据。广义相对论认为,物质和能量会扭曲时空,引力则是此类扭曲的结果。在伊利诺伊大学香槟分校开展相对论计算机模拟的Stuart Shapiro,将最新发现视为“自广义相对论提出以来,对其进行的最重要确认”。

不过,此次事件还标志着期待已久的引力波天文学时代的开启。对该信号的详细分析,已收获了关于合并黑洞性质以及它们如何形成的深入见解。随着更多此类事件的出现(LIGO团队正分析在探测器4个月的运行中捕捉到的若干其他候选事件),研究人员将能分类并理解黑洞的起源,就像他们正在对恒星所开展的工作那样。

更多此类事件应当会出现。自去年9月起,升级版LIGO被安排和其欧洲“同行”——由法国和意大利主导的升级版Virgo设施共同观测。升级版Virgo位于意大利比萨附近,其不仅将为此类事件贡献关键细节,还会帮助天文学家比此前更加精确地测量宇宙学距离。

黑洞质量估测

通过利用计算机模拟重现此次事件,科学家计算得出,两个黑洞分别是太阳质量的约36倍和29倍,并且合并后的黑洞是太阳质量的约62倍。失去的差值是太阳质量的3倍左右,以引力辐射的形式散开。其中,大部分是在被物理学家称为“衰荡”的阶段消散的。此时,合并的黑洞变成球形。该团队还推测,最终的黑洞可能以每秒100转的速度旋转,尽管这一估测的误差幅度很大。

推测出的两个黑洞的质量也正在揭示一些事情。根据推断,每个黑洞都是一颗大质量恒星的残留物,其中较大恒星的质量接近太阳质量的100倍,而另一颗要小一点。研究发现,和较轻的恒星相比,热核反应能将此类恒星核心处的氢以快很多的速度转化成氦,而这导致它们仅在“出生”的几百万年后,便在自身的压力下崩塌。这种崩溃释放的能量引发了被称为Ⅱ型超新星的爆发,并且留下一个变成中子星的残留核心。如果它的质量足够大,则会变成黑洞。

科学家认为,Ⅱ型超新星不应当产生比太阳质量大30倍左右的黑洞,而上述两个黑洞均处于这一区间的高端。这意味着,该系统形成于比通常在银河系发现的气体云更加富含氢和氦但相对缺乏重元素的星际气体云中。

荷兰内梅亨大学天文学家、升级版Virgo协作组成员Gijs Nelemans介绍说,根据天体物理学家的估算,形成于此类低金属度气体云的恒星应当在爆发时更容易形成大质量黑洞。这是因为在超新星爆发期间,较小的原子被爆发吹走的可能性更小。因此,低金属度恒星“失去更少的质量,更多质量则进入到黑洞中”。

两种场景

不过,这两个黑洞是如何在二元体系中终结的?在报告此项发现的论文发表的同时,LIGO和Virgo团队在另一篇文章中描述了两种普遍认可的场景。

最简单的场景是,两颗质量巨大的恒星以双星系统的形式诞生,并由像双黄蛋一样的相同星际气体云形成,且自此相互围绕运行。在几百万年后,其中一颗恒星将会燃尽并且变成超新星,另一颗也很快紧随其后。结果便是一个双星黑洞。

第二种场景是两颗恒星独自形成,但内部仍是拥有相同密度的星团——可能类似于围绕银河系运行的球状星团。在这样一个星团中,大质量恒星会向中心沉降,并且通过和较轻的恒星产生复杂的互动形成双星系统,而这可能是在它们转变成黑洞的很久之后发生的。

由莱顿大学天体物理学家Simon Portegies Zwart运行的模拟表明,大质量恒星更有可能在碰撞和合并更加常见的致密星团中形成。他还发现,一旦双星黑洞系统形成,星系团中心复杂的动力学机制可能会以很高的速度将两颗恒星踢走。升级版LIGO探测到的双星或许在合并前已有几十亿年的时间远离任何星系。

空间艺术

尽管探测到更多此类事件将帮助LIGO开展很多科学研究,但它的干涉仪具有内在的局限性,因此同目前正在上线的类似探测器构成的全球性网络共同努力变得很有必要。

首先,对于科学家来说,LIGO的两台干涉仪并不足以精确地判定引力波来自何处。研究人员能通过比较信号到达每台探测器的时间获得一些信息:这种差别使其得以计算引力波相对于在两者间所划假想线的方向。不过,对于记录了6.9毫秒时间差的此次事件来说,科学家的计算仅将范围限制在一大片南方天空。

如果Virgo上线运行,科学家便能通过比较引力波到达3个地方的时间,极大地缩小方向范围。在第四台干涉仪的帮助下,他们的精确度将会进一步提高。目前,日本正在建造一台被称为KAGRA的地下干涉仪,而印度也在规划自己的LIGO。

反过来,知道事件发生的方向将会消除在确定其到地球的距离时存在的最大不确定性之一。Virgo发言人、罗马智慧大学物理学家Fulvio Ricci介绍说,从精确垂直于探测器的方向趋近的引力波将会在它们的实际振幅上被记录下来。然而,根据一个熟知的公式,来自天空中其他方向的引力波将以一定的角度撞击探测器,并且产生某种程度上相对较弱的信号。这其中甚至会有一些盲点,导致既定的探测器根本无法发现引力波来源。

因此,判定方向将揭示引力波的确切振幅。通过将这一数据和源头处引力波的振幅(可从信号形状得出)进行比较,以及通过知晓振幅如何随着距离缩减(可从爱因斯坦的理论得出),研究人员便能以更高的精度计算出源头的距离。

这样的情形几乎是史无前例的:按照惯例,天文距离需要通过研究处于太阳系到遥远星系范围内的已知天体的亮度计算得出。然而,中间的天体会让这些测得的“标准烛光”的亮度变暗淡。引力波则摆脱了这种限制。(宗华)

《中国科学报》 (2016-04-20 第3版 国际)
 
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