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一個不到0.1秒的信號 也許能幫人類厘清黑洞成長歷史

2020-09-14 科技日報 洪恒飛 本報記者 江 耘
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  “科學家發現了不可能存在的黑洞!”這幾天,相關話題在網上引起了廣泛熱議。

  9月3日,據國外媒體報道,美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)與位于意大利的室女座引力波天文臺(Virgo)攜手探測到了一個約為142倍太陽質量的中等質量黑洞,這也是科學家首次探測到中等質量黑洞。據悉,該黑洞由兩個質量約為85倍太陽質量和65倍太陽質量的黑洞并合而來,其損失的等同8倍太陽質量的能量以引力波的形式在宇宙中擴散開來,引領著我們發現了這一“不可能存在的黑洞”。

  “近幾年,科學家已不止一次通過引力波探測發現雙黑洞系統。此次中等質量黑洞被發現,有助于天文學家破譯超大質量黑洞成因,使黑洞研究更具系統性。”中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學教授茍利軍在接受科技日報記者采訪時表示。

  曾有多次發現均未得到進一步證實

  1916年,德國科學家卡爾·史瓦西求得廣義相對論愛因斯坦場方程的一個精確解,為黑洞的存在奠定了堅實的理論基礎——任何物體只要被壓縮到某個臨界半徑,就會坍縮成奇點,極端扭曲周圍時空,形成強大引力場,在一定范圍內,連光也無法逃脫。

  時至今日,科學家已經發現了不少黑洞,根據質量的不同可將其分為三大類:質量為數倍到100倍太陽質量之間的恒星級黑洞,質量為一百萬至數十億倍太陽質量的超大質量黑洞,以及介于二者之間的中等質量黑洞。

  學界的一種看法是,超大質量黑洞由質量更小的黑洞逐漸并合演化而成。若這個演化過程是個連續的過程,那么理論上中等質量黑洞就應該是其中的中間狀態。

  “2012年,曾有天文學家利用位于澳大利亞的射電望遠鏡觀測到了超級熾熱氣體的爆發,認為該爆發由一顆中等質量黑洞發出;2015年,有天文學家宣稱對NGC 2276星系進行觀測時發現了一個中等質量黑洞……很遺憾,不少這類發現均未得到進一步證實。”茍利軍介紹道,黑洞的探測需要等待合適的時機,比如要在它產生比較明亮的電磁輻射或有較大噴流的時候才能探測到。

  “目前人類探測到的黑洞只是宇宙中眾多黑洞的冰山一角。理論上,僅在銀河系中就有上億個恒星級黑洞,但直到現在真正得到確認的只有數十個。”茍利軍說。

  茍利軍解釋說,黑洞自身不產生電磁波,因而無法直接被探測到。目前探測黑洞只能通過黑洞周圍的一些輻射現象,比如距離黑洞較遠的氣體在靠近黑洞的過程中與黑洞相互摩擦,會產生較強的輻射,我們就可以利用電磁探測方式來間接地探測到黑洞。

  破譯70多億年前的引力波信號

  引力波又被稱為時空的漣漪,是因為時空受引力擾動后,這種擾動會像水波一樣向外以光速傳播。引力波帶來的效果之一就是使兩點間的距離有規律地振蕩。

  “通過精確測量地球上兩點間距離的變化,LIGO就能探測到引力波。”茍利軍解釋道,因為雙黑洞系統通常不會產生引力波之外的其他任何信號,所以引力波是目前探測雙黑洞系統的唯一利器。

  宇宙中的引力波分別可以通過地基的引力波天文臺、空間的引力波激光干涉天線、脈沖星計時陣和宇宙微波背景輻射的極化等探測到。精準探測引力波可幫助揭示黑洞、中子星等引力波源的形成演化。

  “本次發現中等質量黑洞的LIGO與VIRGO均是地基激光干涉儀引力波探測器。”茍利軍說,激光從探測器中間發出后會一分為二,沿著兩條幾公里長的等長干涉臂,被反射多次后又會重新聚到一起相互干涉,干涉后信號的強弱可以被光子探測器觀測到。當來自宇宙深處某一波源的引力波信號跨過時空抵達地球,經過干涉儀時兩條干涉臂的臂長會發生微弱但并不相同的變化,導致干涉后的信號強弱會隨時間的變化而變化。通過測量這個變化就能夠捕捉到引力波信號的波形和大致的方向。

  “中等質量黑洞的發現,很大程度上取決于對引力波的追蹤破譯。引力波輻射分為高頻、中頻、低頻、甚低頻和極低頻5個不同的波段,波長范圍可從數千公里直至宇宙尺度。研究人員需要根據探測結果中破譯的少量信息來建立假設。”茍利軍說。

  在此次研究中,研究人員在2019年5月21日探測到引力波信號GW190521,信號持續時間不到0.1秒。他們通過擬合引力波形,推算出它是70多億年前兩個黑洞并合產生。

  茍利軍表示,相信在未來,地基引力波天文臺會探測到成百上千的雙黑洞、雙中子星等并合引力波事件,幫助我們對這些天體和系統形成演化有更深刻的理解。

  可能是由更小黑洞并合而來

  長期以來,中等質量黑洞被科學界視作超大質量黑洞的“種子”,其存在一直缺乏天文觀測的確切證據,但又具備重要的理論意義。

  2019年11月,我國科研團隊發現了一個70倍太陽質量的恒星級黑洞,并提供了一種利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)巡天優勢尋找黑洞的新方法。這個恒星級黑洞遠超理論預言的質量上限,顛覆了人們以往對恒星級黑洞形成的認知。

  值得注意的是,此次發現的中等質量黑洞也因“質量過重”受到部分科學家懷疑,他們認為其中一個或兩個黑洞并非像大多數恒星質量黑洞那樣由恒星坍縮形成。

  “根據現有理論,坍縮恒星應該不能形成質量約為65倍—120倍太陽質量的黑洞,這個范圍被稱為‘對不穩定質量空缺’。”茍利軍表示。對此,國外研究人員提出了分級并合的可能性,即發生并合的兩個黑洞之前均由更小的黑洞并合而成。

  根據LIGO團隊的研究,中等質量黑洞可能是由質量較小的黑洞并合形成,如果能發現更多正在并合的中等質量黑洞,或許可以解決關于超大質量黑洞的一個謎團,即它們的起源。

  大多存在于星系中心的超大質量黑洞,其起源對科學家來說依然迷霧重重。學界已有的理論認為僅含氫、氦兩種元素的氣體云迅速收縮形成了超大質量黑洞。然而該理論僅能解釋部分在早期宇宙中的超大質量黑洞起源,卻很難解釋目前觀測發現的超大質量黑洞數量為何多于預期這一問題。

  據了解,盡管天文學家對引力波信號引力波信號GW190521的發現和中等質量黑洞存在的可能性感到興奮,但天體物理學家也并不排除此次發現有其他可能性來源。

  “毋庸置疑的是,就研究意義而言,本次發現至少提供了中等質量黑洞通過并合形成的一個證據。越了解中等質量黑洞,對于探析超大質量黑洞的形成乃至衍生出更多相關學說就越有裨益。當然,這一切都需要更多觀測數據來逐步實現。”茍利軍表示。

打印 責任編輯:侯茜
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