黑洞幫助科學家“看見”看不到的引力波

科學家試圖揭示推動黑洞合二爲一的內幕

在天文學家看來,繼宇宙大爆炸之後,最富有活力的事件當屬兩個各自旋轉、具有漩渦的黑洞合並爲一個更大的黑洞了。那麽,是什麽力量促使它們發生這樣的巨變呢?

以英國劍橋大學爲首的一個國際天文學家團隊,揭示了宇宙中這一壯觀事件,解開了數十年來描述在雙星系統軌道上的兩個各自旋轉黑洞螺旋式碰撞的方程式。

劍橋團隊發表在最新一期《物理評論快報》上的科研結果,不僅影響了之前對黑洞的研究,而且有助于加快科學家對宇宙中難以捉摸的引力波(一種由愛因斯坦廣義相對論預測的輻射)的搜尋。

據物理學家組織網站日前報道,不像行星與太陽的平均距離不隨時間變化那樣,廣義相對論預言兩個黑洞彼此靠攏,並作爲一個系統釋放出引力波。

該論文第一作者、德克薩斯大學達拉斯分校的邁克爾博士說:“加速電荷,像電子一樣,産生包括可見光波在內的電磁輻射。同樣,任何時候你有一個加速質量,就可以産生引力波。”輸送給引力波的能量會導致兩個黑洞螺旋式靠攏,直至合並,這是宇宙大爆炸之後最有意義的事件。那種能量不像可見光那樣很容易看到,而是更爲難以察覺的引力波。

邁克爾博士說,盡管愛因斯坦的理論預言了引力波的存在,但人們還不能直接探測到它們。根據廣義相對論,巨大的天體會扭曲環繞它們的時空,就像一個保齡球落入一片橡膠薄皮上,導致天體,即使是光線,也得沿著曲線路徑前行。當兩個極度密集的天體,例如中子星(這種恒星如此密集以至于原子裏的質子和電子坍塌形成中子)或者黑洞,它們成對出現彼此環繞,之間的相互作用會在時空上産生波紋,也就是所謂的引力波。

邁克爾博士強調,通過一定的工具,比如是“看到”的引力波,就可以爲觀察和研究宇宙打開了新的窗口。光學望遠鏡可以捕捉可見物體的照片,如恒星和行星,而無線電和紅外望遠鏡可以揭示肉眼看不到的更多信息。引力波爲研究天體物理現象提供了一個定性的新媒介。

該論文的合著者之一、劍橋應用數學和理論物理系博士研究生大衛·傑羅薩說,“用引力波作爲觀測工具,可以了解數十億年前黑洞發射這些波的特點,如質量和質量比率的信息,這些都是充分了解宇宙特性及進化的重要數據。”

據悉,今年晚些時候,當美國的激光幹涉引力波天文台(LIGO)升級和歐洲Virgo實驗天文台完工時,它們將首次揭示隱匿的引力波。這些觀測將不僅僅證明引力波的存在,還將提供有關産生引力波的罕見信息。與此同時,“麗莎”探路者的使命就是爲將在空間建立一個具有較高靈敏度的引力波探測器進行測試。

該論文合著者之一、劍橋中心理論宇宙學成員烏爾裏希博士說:“我們解決的方程式將有助于預測LIGO看到雙黑洞合並的引力波特性,我們期待將這個解決方案與LIGO搜集的數據進行比較。”

研究人員解開的方程式,有助于專門解釋雙黑洞的自旋角動量和被稱爲歲差的現象。研究人員解釋說:“歲差現象,就像一個旋轉的陀螺,隨著時間黑洞雙旋改變著方向,而這些黑洞自旋的行爲就是理解其進化的一個關鍵部分。”

正如開普勒研究地球繞太陽的軌道運動和發現軌道可以是橢圓、抛物線或雙曲線那樣,研究人員發現,黑洞雙旋根據其旋轉性能,可以分爲三個不同的階段。此外,研究人員還導出有關方程式,將有助于精確跟蹤這些從黑洞形成到合並的自旋相位,比以前的方法更快和更有效。

研究人員說:“采用這些解決方法,我們可以創建計算機模擬數十億年來黑洞的演化,而以前一個需要幾年模擬的現象,現在可以在幾秒鍾內完成。它不只是快,我們還可以從模擬結果中獲得一些新的發現。”

引力波、方程式……這些將爲人類帶來對黑洞的新認知。現在,借助于引力波信號,人們就可以更好地解讀宏大宇宙的奧秘。

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