两个黑洞之间的“爱情”:不断接近却无法结合

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8月10日消息,据国外媒体报道,天文界要要能占据 经典的浪漫故事:有一一一个黑洞相遇了,彼此之间立即产生了吸引力。它们围着对方跳起舞来,越转越近,直到……

▲物理学家认为黑洞合這個产生引力波,这在这张艺术家绘制的概念图中是不是所体现。

直到那些?就像任何情人关系故事一样,一到了有已经 阶段,问提便会应运而生。

爱因斯坦的广义相对论最先提出了对黑洞的预测。黑洞就像时光里中的无底洞,像一口引力之井。任何事物都无法从中逃脱,就连光线很多 例外。小型黑洞的质量要都可以 太阳的几倍,像地雷一样静静埋伏在宇宙的各个角落。而超大质量黑洞则占据 着各个星系的核心位置,如吸尘器一般、将周围的物体尽数吸入。那些巨型黑洞的质量高达太阳的数亿倍。天文学家认为,它们是由一系列星系合并形成的。在宇宙早期,肯能有数一个、甚至数百个星系纷纷聚集到一起,形成了如今的局面。

“根据亲们对宇宙社会形态形成过程的认识,小星系会合并成大星系,大星系又会合并成更大的星系。”美国俄亥俄州奥柏林学院物理学家罗伯特·欧文(Robert Owen)解释道。每次合這個经历数亿年、甚至更久,有已经 亲们无法直接观察到有已经 过程。但理论学家要能通过计算机模拟重现整个合并过程。

麻烦就出在这里。物理学家运行模拟时,有一一一个正在合并的星系中央的黑洞竟然卡住了。黑洞极少会正面相撞。肯能它们相遇时的路径不同,受角动量守恒的影响,它们会旋转着靠近对方。受彼此的引力吸引,有一一一个黑洞会越挨越近,直到之间仅剩1秒差距(秒差距:天文学单位,约合3光年),二者却又像羞涩的恋人一样,不肯再靠近一步了。

为何会原来呢?欧文打了个比方:把你的手想象成其所含一一一个黑洞。把手放到一桶水中,让水旋转起来,就像正在合并的星系物质一样。水一已经 结速会阻碍手的运动,迫使手的时延调慢。在太空中,有已经 引力作用叫雪动摩擦,会降低黑洞的角动量,原因分析分析着其逐渐向原来黑洞移动。但过了一会儿,水的旋转方向便会与你的手保持一致了,有已经 手受到的阻力也会减小。而在模拟的星系合并过程中,恒星和其它天体也会根据有一一一个黑洞的旋转方向改变运动路径。此时动摩擦逐渐减小,有一一一个黑洞也就在新轨道上稳定了下来,不要再再改变位置。

若物理学家对宇宙的形成过程理解无误,原来成对的黑洞最终应当会彼此相撞、融为一体才对。但要实现有已经 点,它们要都可以 先设法减去足够的能量,要能继续靠近对方、跨过最后这1秒差距。一旦有一一一个黑洞靠得非常近原来(仅相隔几十亿公里,约0.001秒差距),根据广义相对论,剩下的角动量便会随着不断加强的引力波逐渐消失,将有一一一个黑洞推到一起。有已经 过程肯能会经历几小时、几天、甚至几年不等,具体取决于黑洞质量有多大。

究竟是那些力量推动了有已经 “致命拥抱”呢?这便是所谓的“最后的1秒差距问提”。解答该问提不仅是为了满足亲们的好奇心,还可改变亲们对宇宙社会形态形成过程的理解、以及对引力本质的认识。有已经 在物理学家模拟黑洞运行的一起,天文学家也在观察夜空,试图找到黑洞处置“最后的1秒差距问提”的线索——只要它们真能处置语句。

在过去的500年间,天文学家肯能发现了数百个所含有一一一个超大黑洞的星系,且那些黑洞占据 不同的合并阶段。但即使是“最亲密的”一对黑洞,彼此之间也隔了几千秒差距。“要找到比这还近的黑洞就困难得多了。”加州理工学院计算科学家马修·格雷厄姆(Matthew Graham)指出。就是不是地球上最大的望远镜,也达要能 这么高的分辨率。

有已经 格雷厄姆和同事们决定走一根绳子 间接路线,利用闪烁的类星体光线进行观测。脉冲星是巨大、古老的星系极为明亮的内核要素。物质围绕星系中央的超大质量黑洞旋转时,会逐渐要素成有一一一个圆盘状社会形态。有已经 圆盘的角动量会将其要素质量转化为辐射,使星系发出耀眼的光芒。肯能甲烷气体和尘埃落入圆盘时并不连贯,类星体的光芒也会随之变化不定。

但2013年末,科学家却发现了有一一一个与众不同的类星体。格雷厄姆和同事们利用“卡塔琳娜实时瞬变调查”10年来下发的数据,找到了有一一一个奇特的信号来源,竟有着要能预测的变化规律。有已经 类星体名为PG 15002-102,距地球约35亿光年。它似乎会稳定地变亮、再变暗,每隔五年半便重复一次,就好像许多人在慢慢操控亮度控制开关一样。

▲天文学家肯能发现了有已经 正占据 合并过程中的成对星系,如图中的NGC 4676。

是那些造成了有已经 循环呢?格雷厄姆表示:“亲们提出了四有這個不同的物理解释。”比如说,原来超大质量黑洞的运行肯能会定期改变该类星体辐射的朝向,肯能肯能使尘埃盘中旋转的物质占据 扭曲,从而使其亮度占据 周期性变化。那些解释是不是有已经 一起之处:要都可以 当类星体PG 15002-102中央的黑洞的确由有一一一个黑洞构成时,要要能说得通。

距格雷厄姆和同事们估计,肯能类星体PG 15002-102中央的确占据 双黑洞系统,两者间隔肯要能要能 0.01秒差距。另一项由哥伦比亚大学开展的研究甚至提出了更小的猜测,仅有0.001秒差距,约共要太阳系的直径。到了有已经 程度,有一一一个黑洞应当肯能在“宽衣解带”(脱掉的确实是引力波),就差没扑进对方怀中了。只要研究人员读取的PG 15002-102信号无误,这么无论是哪种请况,都能说明同有一一一个问提:大自然肯能处置了“最后的1秒差距问提”。

格雷厄姆和同事们目前已在卡塔琳娜项目数据库中找到了5000多个肯能所含双黑洞系统的类星体,有一一一个黑洞之间的距离都远小于1秒差距。若那些猜测得到证实,科学家便可对这场“合并大戏”神秘的最终章来一次“惊鸿一瞥”。

然而,要想弄清相隔很近的有一一一个黑洞是怎样抛下稳定轨道、实现最终合并的,你说还要都可以 亲们以全新的最好的办法看待宇宙。“亲们现在很多 借电磁波瞎试探而已。”欧文原来描述科学家们利用传统望远镜寻找双黑洞系统的做法。从理论上来说,黑洞合并释放出的能量应共要超新星爆发的1亿倍,但那些能量很多以引力波、而非光线的形式占据 。“亲们要学会用‘眼睛’去‘听’,就好像通过鼓面的振动判断鼓在发声、而是不是通过鼓声来判断一样。”

通过引力波观察黑洞合并要能使请况清晰明了有已经 。“从星系中央发出的光线往往会被甲烷气体和尘埃云吸收、重新发射、肯能散射开来,原因分析分析着亲们看了的情景昏暗而扭曲。”加州理工学院与马克斯·普朗克射电天文学研究所的天体物理学家基娅拉·明加雷利(Chiara Mingarelli)解释道,“而引力波则不受甲烷气体和尘埃影响,要能径直穿过。”

然而,探测引力波也绝非易事。引力波天文学尚在起步阶段,况且就连LIGO原来的顶级天文台敏感度也缺陷高,无法探测到天文学家怀疑双黑洞系统合并时发出的、缓慢振荡的引力波。

有已经 研究人员决定换有這個途径,利用大自然提供的“望远镜”——毫秒脉冲星进行探测。有已经 天体是恒星爆炸后留下的“遗骸”,密度极高、转个不停。它们就像海面上的浮标一样,以原子钟般的精确度,定期向地球发射一道射电波。当遥远星系中的有一一一个黑洞正在跨越最后的1秒差距时,产生引力波可对那些毫秒脉冲星发出的信号造成干扰。有已经 通过观察银河系中数一个毫秒脉冲星的信号变化,天文学家便能判断它们是不是受到了引力波的影响。

那些射电波的光谱社会形态将提供一系列重要数据,帮助物理学家测试或完善黑洞合并模型。威斯康星大学密尔沃基分校研究生约瑟夫·西蒙(Joseph Simon)指出:“要想了解有一一一个黑洞在跨越最后1秒差距时究竟占据 了那些,弄清这位终极‘幕后推手’的身份,脉冲星测时阵列是亲们唯一可用的工具。”

而就算探测要能 引力波,也可作为一根绳子 重要线索。西蒙指出,历经了将近十年的计时,脉冲星测时阵列的敏感度“终于达到了足够高的水平,就算那些都没探测到,要能透露有已经 重要信息。”那些测时阵列至今一无所获,说明理论学家对黑洞跨过最后1秒差距后经历的猜想肯能占据 误区。黑洞的要素能量你说不要再以引力波的形式发散出去,很多 通过与邻近恒星和甲烷气体的有這個未知相互作用消散掉了。你说黑洞会将接近当事人的恒星远远甩出,肯能黑洞的引力会使周围的尘埃甲烷气体盘占据 扭转。若物理学家能弄清有已经 能量消散机制,你说就能解释黑洞是怎样跨过最后这1秒差距的了。

物理学家的精心计算将使亲们有肯能检验爱因斯坦的预言。正如欧文所说:“亲们谈起广义相对论时,就好像它肯能被彻底验证了一样。”但科学家还从未在黑洞合并原来的极端引力事件中检验过该理论。此之类件与牛顿物理法则相去甚远,亲们熟悉的能量、动量和质量等概念也抛下了原来的意义。只要黑洞合并发出的引力波的确比广义相对论预言的弱,你说是原来该做些修改了。

了解黑洞“情人关系故事”的最终目的还是为了更好地认识地球,弄清亲们占据 的引力波环境究竟是一片“汪洋大海”,还是一根绳子 “涓涓细流”。欧文指出:“有已经 太好是有這個截然不同的‘时光里海洋’,有一一一个风平浪静,有一一一个波涛汹涌。”