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引力波天文学开启黑洞研究新纪元

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发表于 2019-12-3 09:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
引力波天文学开启黑洞研究新纪元  游戏 20181019121101783-952728829
  编译:雷丰图
  改编自:https://www.space.com/black-hole-symphony-gravitational-waves.html,https://www.youtube.com/watch?v=-5Vv9oxOP1M
  黑洞是宇宙中最诱人的天体之一,但同时也是最难以捉摸的,它们很是致密,以致于光都没法逃走。为了进一步研讨黑洞背后的机密,科学家们转向了一个新兴的范围:引力波天文学。
  引力波是超大质量天体形成时空的扭曲大要“泛动”。在 2015 年,天文学家第一次用激光干与引力波天文台(LIGO)探测到引力波。此次引力波是由一组双黑洞系统(两个相互围绕的黑洞)剧烈地相撞构成的。
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Credit:MIT News

  激光干与引力波天文台,每一个都带有两个 4 千米长的臂并组成L型,它们别离位于相距 3000 千米的美国南海岸 Livingston 和美国西北海岸 Hanford。每个臂由直径为 1.2 米的真空钢管组成。
  范德堡大学天体物理学家、该项目标主编卡兰·贾尼(Karan Jani)向媒体先容:“刚加入 LIGO 时,我就意想到之前用广义相对论模仿黑洞模子的履历可以利用到中等质量黑洞的搜寻傍边。”
  中等质量黑洞介于超大质量黑洞(超出太阳的一百万倍)和恒星级黑洞(质量相对较小,太阳质量的5-50 倍)之间。“中等质量黑洞对于开创引力波天文学的十年有着特此外寄义。从我们已知的天体中, 它们所开释的引力波最轻易被 LIGO 和 LISA (激光干与空间天线)探测到。经过这两种方式,我们可以也许监视宇宙中近乎全数的中型双黑洞系统。”
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中等质量黑洞是宇宙中最难判定的天体之一。Credit:中国数字科技馆

  可是,天文学家们还未能间接探测这些中型黑洞。他的方式是经过黑洞所开释出的引力波中差此外振动频次来研讨它们的活动。正如交响乐团演奏时的声波具有不同频次,黑洞所开释出的引力波也存在差此外频次,有些频次的带宽极大,有些却相对较小。在引力波研讨的下一个阶段,我们的目标将是捕捉不同频次的信号来听一首来自黑洞的“完整乐曲”。
  中型黑洞也被以为是超巨型黑洞的种子。举个例子,黑洞凡是靠吞噬其他黑洞来“成长“。在黑洞四周会构成一圈被捕捉的物资,也就是吸积盘,强大的引力会吸引住四周的气体、恒星、甚至是另一个黑洞。任何物资在过分靠近时会掉入事变视界,就此永久留在黑洞里而没法逃逸。每傍边型黑洞将另一个黑洞困在自己旁边时,其引力场就会出现扰动,LIGO 因此可以也许经过这一扰动来判定发生的事变。
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双黑洞系统引力波暗示图。Credit: 新浪

  由欧空局和美国宇航局互助的 LISA 估计将于 2034 年发射,将会是第一个搜寻引力波的太空探测器。LISA 的使命是探测并对低频次的引力波举行正确丈量。这类水平的丈量是地球上所不能举行的。在地球上,即使是一辆途经的车辆所引发的震动城市影响探测器的正确性。经过 LISA,我们可以在中型黑洞撞击的几年前就起头监视,这类引力波是间接由事变视界外时空扭曲酿成的。与无线电波或X射线差此外是:引力波所转达的信息在穿行数光年的途中不会丧失一分一毫。
  是以,在团结了 LIGO 观察的高频段引力波以及后续 LISA 丈量的低频段引力波信息,科学家们有渴望加添当前对黑洞认知的空缺。
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LISA 概念图。Credit:Telescoper

  引力波的提出可以追溯到牛顿期间。在提出万有引力后,人们发现典范物理所描述的引力似乎是一种超距感化,但是超距感化并不能压服科学家们,因此拉普拉斯率先提出,引力是经过引力场传播的。
  时候来到十九世纪,台甫鼎鼎的麦克斯韦方程组问世,猜测了电磁波的存在还证实确电磁波是有速度的(光速),是以电磁力并非是超距感化。那末,正如电磁力是由电磁场传播的,而电磁场(电荷)的震动会构成电磁波,引力也是由引力场传播的,那末物资的振荡能否也会发生响应的“引力波”。至此,引力波的概念正式构成。
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引力场概念图。Credit:知乎论坛

  此后,典范物理几乎再也没有用武之地,由于牛顿时代的质量和能量并不能划等号,能量守恒和质量守恒是两个分隔的定律。人们可以大白电磁波的原因原由是由于电自己就是能量,能量的振荡发生照顾能量的电磁波,逻辑上来说没什么题目。可是忽然说物资的振荡也能发生照顾能量引力波,这就很难设想。
  1905 年,爱因斯坦提出狭义相对论,提出质能等价,再次为引力波的存在供给了大要。十年已此后,爱因斯坦再次提出了一个可以配合描摹物资和质量的场方程,这就是广义相对论。此后今后,理论上的引力波完全界说完成,可是在尝试上真正探测到引力波却得等到 100 年后的 2015 年,在数代人的积极以后,LIGO 终究在 2015 年 9 月 14 号采集到了 13 亿光年外两个黑洞合并时所发生的引力波。
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与电磁波不同,引力波为柱面波,因此激光干与仪可以经过激光外形的改变来对引力波举行探测和丈量。Credit:知乎专栏

  再回到引力波自己上,在各类宇宙射线和辐射中,为何只要引力波可以也许突围而出呢?正如前面所说,物资的振荡发生照顾能量的引力波,可是物资原本情况下是没有动能或势能的,这看上去似乎不合适能量守恒。这就是狭义的庞大之处,正是由于质能同一,引力波所照顾的能量实在是活动时物资所损失的质量(物资振荡时会损失必定的质量,可是振荡幅度必须富足大才华发生足以被探测到的质量丧失),所以引力波恰好是能量守恒的产物。
  由此,在 13 亿年前,一个质量为 29 个太阳质量和一个质量是 36 个太阳质量黑洞在不停靠近的进程中高速绕对方扭转,致使全部系统的物资剧烈振荡,终极合并成一个 62 个太阳质量的大黑洞,而 3 个太阳质量的能量经过引力波的形式传播,经过 13 亿年的旅程来到地球,才被紧密度极高的 LIGO 探测到。

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