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“瘦小版”黑洞现身 引力波立了哪些功?

2017-11-24 11:59:25

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LIGO目前已经探测到的双黑洞系统 图片来源:LIGO官网

  “瘦小版”黑洞现身,引力波立了哪些功

  美国时间11月15日,激光干涉引力波天文台(LIGO)官方网站发布消息,再次宣布接收到来自太空的引力波信号。而在目前通过引力波探测到的双黑洞中,形成此次引力波信号的双黑洞“体重”最轻。这次发现的意义何在?能与从电磁波观测得到的黑洞性质形成怎样的互补关系?科技日报记者就此采访了相关专家。

  黑洞是宇宙中的“贪吃王”,它凭借巨大的引力将恒星等物质撕裂,并在身体外围形成一个“甜甜圈”模样的气体吸积盘,气体一边旋转一边向它靠近,最终被它吞进“肚”里。

  吸积盘中气体高速旋转,越靠近黑洞转速越快,高速气体之间的摩擦会产生大量的热,使吸积盘中心部分气体温度达到惊人的高度并发出强烈的电磁辐射。通过天文望远镜观测宇宙中的电磁波,科学家可以推断黑洞的存在。

  然而,可以探寻单个黑洞的电磁波观测在双黑洞面前陷入“盲区”。在双黑洞系统中,两个黑洞在最终的并合过程中,周围并没有气体存在,因此不会产生能够被探测到的电磁波辐射。

  没有产生电磁波,并不意味着双黑洞系统无迹可寻。双黑洞并合前,会一边互相绕转一边释放出引力波。由于引力波带走了能量,两者会越转越近,直到撞上,释放出巨大的能量。因此,通过探测引力波,人们不仅能“捕捉”到双黑洞系统,还能“看见”它们并和的过程。

  形成此次引力波信号的双黑洞“体重”是引力波探测历史上最小的。今年5月LIGO发布的第三次引力波事件,探测到两个分别为31.2和19.4个太阳质量的黑洞,而此次探测到的两个黑洞质量分别为7倍和12倍太阳质量。

  “对于质量较小的恒星级双黑洞,在地面引力波探测器直接探测到它之前,科学家们并不确定它们是否存在,此次探测结果证实,小质量的双黑洞系统是存在的。”国家天文台研究员苟利军说道。如果说今年5月发布的引力波探测结果表明宇宙中存在“微胖界”黑洞,这次的结果意味着找到了“瘦小版”黑洞。

  在描述引力波和电磁波探测的不同特质时,LIGO科学合作组织爆发源分析组联席主席Ik Siong Heng曾指出,传统的光谱观测能提供天体物理现象外层的动力学信息,但引力波观测则能让我们听到那些宇宙中最高能现象的“心跳”。

  同样是获取黑洞的质量、自旋速度等物理性质,和电磁波探测相比,引力波探测方式更为直接。通过直接分析引力波波形,科学家们就能推算出黑洞的质量、自旋速度、两个黑洞互相绕转速度。

  电磁波探测则是间接得到这部分信息。苟利军指出,通过观测黑洞周围的伴星和黑洞周围的吸积盘辐射,可以获得黑洞质量、黑洞自旋以及黑洞与伴星互相绕转速度。

  值得一提的是,通过探测引力波,能获取双黑洞并合前每个黑洞的自旋信息,以及并合后形成的黑洞的自旋信息,这对理解双黑洞形成机制有重要意义。苟利军解释道,目前科学家认为双黑洞系统有两种形成可能:孤立双星演化,或者一颗黑洞捕捉另一颗。目前从引力波观测得到的黑洞并合前自旋信息,更多地支持后者。

  但美中不足的是,引力波信号自身也存在一定缺陷,比如信号十分微弱,信号源定位误差非常大,仅仅利用引力波探测无法确认信号来自哪里。事实上,引力波与电磁波携带着天体不同类型的信息,对两者的探测互为印证。引力波及其电磁对应体的发现,有助于科学家结合不同信息研究天体的性质,并检验宇宙的基本规律。

  就此次发现的黑洞而言,它有助于天文学家将从引力波观测得到的这类黑洞的性质与从X射线观测中发现的黑洞性质进行比较,填补这两类观测之间缺失的一环,促进多信使天文学的发展。

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