科学家发现中等质量黑洞证据
天文学家首次发现中等质量黑洞
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天文学家首次发现中等质量黑洞

2020-09-04 09:01 主页 来源:未知
天文学家首次发现中等质量黑洞

当地时间2日,天文学家在《物理学评论通讯》(Physical Review Letters)和《天体物理学杂志通讯》(Astrophysical Journal Letters)发表研究报告称,引力波探测器LIGO/Virgo发现了一个142倍太阳质量的黑洞,这是天文学家首次观测到中等质量黑洞,也是目前借助引力波观测到的最大的黑洞。科学家详细叙述了引力波信号的发现过程并讨论了信号的物理性质和天文物理学意义。
 
“不可能质量”的黑洞与“迄今最强”引力波源
 
据CNN报道,欧洲南方天文台曾在4月16日发布消息,天文学家利用甚大望远镜(VLT)首次观测到一颗围绕银河系中心超大质量黑洞运动的恒星,正好符合爱因斯坦广义相对论的预测。恒星运动的轨道是玫瑰花形的,不像牛顿引力理论所预测的椭圆。5月21日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)科学协作组织(LSC)和欧洲处女座引力波探测器Virgo探测到一段微弱的信号。在通过四种不同的算法对这段信号进行测量后,天文学家认为它可能是距今约70亿年前,在一个中等质量黑洞的形成过程中释放出的引力波信号,研究人员将其命名为GW190521。据悉,此信号持续时间极短,还不足0.1秒。研究人员推测,GW190521引力波信号来自距地球5吉秒差距(gigaparsec)外的星系,反映了宇宙年龄相当于目前一半时的状态,经历了70亿年的旅程才抵达地球。这也是目前探测到的最遥远的引力波源。
 
 
不仅如此,天文学家还发现了一个142倍太阳质量的黑洞,这次事件是使用引力波观测到的规模最大的黑洞合并事件。据猜测,约70亿年前,有两颗质量分别为太阳的65倍和85倍的黑洞相互围绕着对方快速旋转,最终碰撞在一起,形成了一个质量更大的黑洞,并以引力波的形式向宇宙释放出相当于太阳质量8倍的巨大能量。“这和我们通常探测到的啁啾声一般的信号不一样。”和LIGO于2015年第一次探测到的引力波对比,“这个信号如同一声巨响,是LIGO和Virgo目前为止发现的最强大的信号源”。
 
填补“中等质量黑洞”研究空缺
 
据了解,根据恒星演化物理,恒星的核中的光子和气体产生向外的压力,平衡了促使横行物质向内的重力,从而保持稳定状态,例如太阳。而当恒星内部的重元素原子(例如铁)发生聚变后,它将无法产生能够支撑外层的压力。而当向外的压力小于重力时,恒星会在自身重量的作用下坍塌,发生核坍缩超新星爆炸(core-collapsesupernova),进而形成黑洞。
 
 
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黑洞是一种体积极小、质量极大的天体。根据质量不同,黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。此前,科学家们发现了不少恒星级和超大质量黑洞。恒星级黑洞质量为太阳质量的5到100倍,一般认为是质量大的恒星死去后形成的;而超大质量黑洞的质量达到太阳的1000倍以上。中等质量黑洞质量为太阳的100到1000倍。迄今为止,科学家没有发现任何证据证明它们的存在。然而,释放这一引力波信号的最终黑洞质量为太阳质量的142倍,处在恒星级黑洞和超大质量黑洞之间。
 
 
Virgo成员、来自法国国家科学研究中心(CNRS)的研究员尼尔森·克里斯坦森(Nelson Christensen)表示:“我们观察到了质量落在这个区间的黑洞,这个事实足以使很多天文物理学家抓耳挠腮,尝试去研究这些黑洞的起源。”“这个天文物理事件引发的疑问比它回答的问题要多,”加州理工学院物理学教授、LIGO 成员艾伦·温斯坦(Alan Weinstein)说,“从探索和物理学的角度看,这是件令人激动的事。”
 
 
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虽然这是足以令人疯狂的发现,但现在仍有许多待解的问题,其中最重要的是为什么中等质量的黑洞在太空中如此罕见。所谓的“黑洞沙漠”在较小黑洞和超大质量黑洞之间是相当空的,研究人员想找出其中的原因。有一种理论认为,一旦黑洞达到一定的大小,它们就会开始以更快的速度吞噬更多的物质,进而很快就会变成超大质量黑洞。但就目前而言,这种解释仍只算是一种有根据的猜测。
 
验证广义相对论、探索引力波的新方式
 
马里兰大学教授、LSC首席研究员亚历山德拉·布南诺(Alessandra Buonanno)说:“从一开始,这个只有0.1秒长的信号就对我们确定其来源提出了挑战。尽管信号的持续时间很短,还是像爱因斯坦广义相对论预测的那样,我们将信号与预期的黑洞合并相匹配。这是我们第一次目睹了一个中等质量黑洞的诞生,这个黑洞的母体很可能是从较早的双星合并中诞生。”
 
例如,广义相对论预测质量明显不相等的二元系统将产生具有更高谐波的引力波,这正是科学家第一次能够观察到。布南诺说:“当我们说高次谐波时,我们的意思就像是音乐家演奏相同乐器的二重奏与不同乐器之间的声音差异。”据悉,她开发了波形模型以观察LSC小组的谐波。“二进制文件的子结构和复杂性越多(例如黑洞的质量或自旋不同),发出的辐射光谱就越丰富。”
 
 
不仅如此,GW190521是新发现的三个引力波之一,这些发现挑战了天文学家目前对黑洞的理解,并允许科学家以新的方式测试爱因斯坦的广义相对论。”其他两个引力波事件包括首次观察到两个质量明显不相等的黑洞的合并,以及黑洞与神秘物体的合并,这可能是有史以来观察到的最小的黑洞或最大的中子星。一篇描述后者的研究论文已于2000年6月23日发表在《天体物理学期刊快报》上,而有关前者事件的论文将很快发表在《物理评论D》上。
 
 
“这三个事件都是具有前所未有的质量或质量比的新颖事物。”LSC首席研究员兼LSC观测科学协调员、NASA戈达德太空飞行中心合作伙伴、马里兰大学物理学教授彼得•肖申(Peter Shawhan)说,“因此,我们不仅从总体上学习了有关黑洞的知识,而且由于这些新特性,我们能够看到围绕这些致密物体的重力效应,这是我们之前从未见过的。这为我们提供了以新的方式检验广义相对论理论的机会。”
 
除了这三个黑洞合并和先前报道的双星中子星合并之外,从2019年4月到2020年3月的观测运行还确定了52个其他潜在的引力波事件。这些事件被发布到由LIGO和处女座合作成员开发的公共警报系统中,该系统最初是由肖申率先发起,以便其他科学家和感兴趣的公众可以评估重力波信号。
 
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