0.1秒都不到的信号, 有可能帮到人类搞清楚黑洞发展历史

2020-09-14 09:54   来源: 互联网    阅读次数:2653

科学家们发现了不可能的黑洞!"最近几天,相关的话题在互联网上引起了广泛的热烈讨论。


9月3日,根据外国媒体的报道,美国激光干涉重力波观测台(LIGO)和意大利室女座引力波观测站(处女座)探测到的中等质量黑洞是太阳质量的142倍,这是科学家第一次发现质量中等的黑洞。据报道,黑洞由两个黑洞组成,质量分别是太阳质量的85倍和太阳质量的65倍。能量的损失相当于太阳质量的8倍,在宇宙中以引力波的形式传播,导致我们发现这个"不可能的黑洞"。


近年来,科学家通过引力波探测不止一次地发现了双重黑洞系统。中质量黑洞的发现将有助于天文学家破译超大质量黑洞的成因,使黑洞的研究更加系统化。中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授郭立军在接受"科技日报"采访时说。


有许多发现尚未得到进一步证实。


1916年,德国科学家卡尔·萨瓦西(Carl Swasi)得到了广义相对论爱因斯坦场方程的精确解,这为黑洞的存在奠定了坚实的理论基础。只要任何物体被压缩到一定的临界半径,它就会塌缩成奇点,极大地扭曲周围的时间和空间,形成强大的引力场,甚至光也无法在一定范围内逃逸。


到目前为止,科学家已经发现了许多黑洞,根据其质量可分为三类:质量为太阳质量的几倍至100倍的恒星黑洞,质量为太阳质量100万至数十亿倍的超大质量黑洞,以及两者之间的中等质量黑洞。


学术观点之一是,超大质量黑洞是由较小的黑洞演化而来的。如果这个演化过程是一个连续的过程,那么理论上中质量黑洞应该是它的中间状态。


2012年,天文学家使用澳大利亚的射电望远镜观测了一次超热气体的爆炸,认为它是由质量中等的黑洞发射的;2015年,天文学家声称在观测NGC 2276星系时发现了一个中等质量的黑洞。不幸的是,其中许多调查结果尚未得到进一步证实。Golijun说:"黑洞的探测需要等待合适的时间,比如当黑洞产生更明亮的电磁辐射或有大喷流时。


人类探测到的黑洞只是宇宙中许多黑洞的冰山一角。理论上,仅银河系就有数亿颗恒星黑洞,但到目前为止,只有几十个黑洞得到了证实。Gouli June说。


Golijun解释说,黑洞本身不产生电磁波,因此无法直接探测。目前,黑洞的探测只能通过黑洞周围的一些辐射现象,如气体与黑洞在摩擦过程中与黑洞发生摩擦,会产生很强的辐射,我们可以用电磁探测方法间接探测黑洞。


七十亿多年前破译引力波信号


引力波在时间和空间中也称为涟漪,因为当时间和空间受到重力的干扰时,这种扰动以光速向外传播,就像水波一样。引力波的作用之一是有规律地振荡两点之间的距离。


通过精确测量地球上两点之间的距离,LIGO可以探测到引力波。"Golijun解释说,由于双黑洞系统通常只产生引力波以外的任何信号,引力波是目前探测双黑洞系统的唯一锋利武器。


通过基础引力波观测台、空间引力波激光干涉天线、脉冲星定时阵和宇宙微波背景辐射极化可以探测到宇宙中的引力波。精确探测引力波有助于揭示黑洞和中子星等引力波源的形成和演化。


发现中等质量黑洞的LIGO和室女座都是引力波探针的地面激光干涉仪。Golijun说,当激光从探测器的中心发射出来时,它将被分成两部分,沿着两条长度相等的干涉臂被分割成几公里长的干涉臂,它们将被多次反射,然后重新组合,互相干扰,光子探测器可以观察到干涉信号的强度。当宇宙深处的引力波信号跨越时间和空间到达地球时,两个干涉臂的臂长在通过干涉仪时会发生微弱的变化,但并不相同,从而导致干涉信号的强度随时间的变化而变化。通过测量这一变化,我们可以捕捉到引力波信号的波形和近似方向。



中质量黑洞的发现在很大程度上取决于引力波的跟踪和破译。引力波辐射可分为高频、中频、低频、极低频和极低频五个波段。波长范围可以从数千公里到宇宙尺度不等。研究人员需要根据从研究结果中破译出来的少量信息建立假设。Gouli June 说。


在这项研究中,研究人员在 2019 年 5 月 21 日探测到一个引力波信号 GW 190521,时间不到 0.1 秒。通过对引力波形的拟合,他们计算出它是由 70 亿多年前的两个黑洞组合产生的。


郭立军说,他相信未来地面引力波观测站将探测到数以百计的双黑洞、双中子星和其他混合引力波事件,这将有助于我们更深入地了解这些天体和系统的形成和演化。


它可能是较小的黑洞的组合。


长期以来,中等质量黑洞一直被科学界视为超大质量黑洞的 "种子",中质量黑洞的存在缺乏准确的天文观测证据,但具有重要的理论意义。


在 2019 年 11 月,我们的研究小组发现了一个质量为太阳质量 70 倍的恒星黑洞,并利用郭守敬(LAMOST) 的优势在天空中巡逻,为发现黑洞提供了一种新的途径。这个恒定恒星黑洞远远超过理论预测的质量上限,这颠覆了以往对恒星黑洞形成的认识。


值得注意的是,一些科学家也怀疑发现了中等质量的黑洞,因为它 "超重",他们认为,有一两个黑洞并不像大多数恒星质量黑洞那样是由恒星崩塌形成的。


根据现有的理论,塌陷的恒星不应该形成质量约为太阳质量的 65 到 120 倍的黑洞,这个范围被称为‘不稳定质量的空位’。" 郭立军说。在这方面,外国研究人员提出了分层合并的可能性,即两个黑洞合并的发生以前是由较小的黑洞组成的。

根据 LIGO 团队的说法,中等质量的黑洞可能是由较小的黑洞组合而成的,如果能发现更多中等质量的黑洞,它们可能会解开一个关于超大质量黑洞的谜团,即它们的起源。


大多数存在于星系中心的超大质量黑洞对科学家来说仍然是模糊的。现有的理论认为,只有氢和氦元素的气体云迅速收缩,形成超大质量的黑洞。然而,这个理论只能解释早期宇宙中一些超大质量黑洞的起源,但很难解释为什么目前观测到的超大质量黑洞的数量比预期的要多。


据了解,尽管天文学家对引力波信号重力波信号 GW 190521 的发现和存在中等质量黑洞的可能性感到兴奋,但天体物理学家并不排除这一发现的其他可能来源。


毫无疑问,就研究意义而言,这一发现至少提供了一个证据,证明中等质量黑洞是通过合并形成的。我们越是了解质量中等的黑洞,就越有利于探索超大质量黑洞的形成,甚至得出更多的相关理论。当然,所有这些都需要一步一步地实现更多的观测数据。郭立军说。




责任编辑:萤莹香草钟
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