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兩個黑洞合並為何如此困難?動摩擦惹的禍

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    2015-1-3 10:48
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    [LV.2]偶爾看看I

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    發表於 2018-8-10 23:55:46 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
    天文界也可以發生典範的浪漫故事︰兩個黑洞相遇了,相互之間立即發生了吸引力。它們圍著對方跳起舞來,越轉越近,直到……直到什麼?就像任何戀愛故事一樣,一到了這個階段,題目便會應運而生。

    愛因斯坦的廣義相對論最早提出了對黑洞的猜測。黑洞就像時空中的無底洞,像一口引力之井。任何事物都沒法從中逃走,就連光芒也不破例。小型黑洞的質量只要太陽的幾倍,像地雷一樣靜靜匿伏在宇宙的各個角落。而超大質量黑洞則佔據著各個星系的焦點位置,如吸塵器一般、將四周的物體盡數吸入。這些巨型黑洞的質量高達太陽的數億倍。天文學家以為,它們是由一系列星系合並構成的。在宇宙早期,能夠稀有十個、甚至數百個星系紛紛聚集到一路,構成了現在的場面。

    “按照我們對宇宙結構構成進程的熟悉,細姨系會合並成大星系,大星系又會合並成更大的星系。”美國俄亥俄州奧柏林學院物理學家羅伯特€€歐文詮釋道。每次合並都要履歷數億年、甚至更久,是以我們沒法間接觀察到這一進程。但理論學家可以經過計較機模擬重現全部合並進程。

    麻煩就出在這里。物理學家運轉模擬時,兩個正在合並的星系中心的黑洞居然卡住了。黑洞少少會正面相撞。由于它們相遇時的途徑分歧,受角動量守恆的影響,它們會扭轉著靠近對方。受相互的引力吸引,兩個黑洞會越挨越近,直到之間僅剩1秒差異(秒差異︰天文學單元,約合3光年),兩者卻又像羞澀的情人一樣,不願再靠近一步了。

    為何會這樣呢?歐文打了個例如︰把你的手想象成其中一個黑洞。把手放在一桶水中,讓水扭轉起來,就像正在合並的星系物資一樣。水一路頭會障礙手的活動,迫使手的速度減慢。在太空中,這類引力感化名叫動磨擦,會下降黑洞的角動量,致使其逐步向另一個黑洞移動。但過了一會兒,水的扭轉偏向便會與你的手連結分歧了,是以手遭到的阻力也會減小。而在模擬的星系合並進程中,恆星和別的天體也會按照兩個黑洞的扭轉偏向改變活動途徑。此時動磨擦逐步減小,兩個黑洞也就在新軌道上穩定了下來,不會再改變位置。

    若物理學家對宇宙的構成進程瞭解無誤,這樣成對的黑洞終極該當會相互相撞、融為一體才對。但要實現這一點,它們必須先想法減去充足的能量,才能繼續靠近對方、跨過最初這1秒差異。一旦兩個黑洞靠得很是近以後(僅相隔幾十億千米,約0.001秒差異),按照廣義相對論,剩下的角動量便會隨著不竭增強的引力波逐步消失,將兩個黑洞推到一路。這一進程能夠會履歷幾小時、幾天、甚至幾年不等,具體取決于黑洞質量有多大。

    究竟是什麼氣力鞭策了這一“致命擁抱”呢?這即是所謂的“最初的1秒差異題目”。解答該題目不可是為了滿足我們的獵奇心,還可改變我們對宇宙結構構成進程的瞭解、以及對引力本質的熟悉。是以在物理學家模擬黑洞運轉的同時,天文學家也在觀察夜空,試圖找到黑洞處理“最初的1秒差異題目”的線索€€€€假如它們真能處理的話。

    在曩昔的30年間,天文學家已經發現了數百個含有兩個超大黑洞的星系,且這些黑洞處在分歧的合並階段。但即使是“最密切的”一對黑洞,相互之間也隔了幾千秒差異。“要找到比這還近的黑洞就困難很多了。”加州理工學院計較科學家馬修€€格雷厄姆指出。就算是地球上最大的千里鏡,也達不到這麼高的分辨率。

    是以格雷厄姆和同事們決議走一條間接線路,操縱閃灼的類星體光芒停止觀察。脈沖星是龐大、陳腐的星系極為明亮的內核部分。物資圍繞星系中心的超大質量黑洞扭轉時,會逐步積累成一個圓盤狀結構。這個圓盤的角動量會將其部分質量轉化為輻射,使星系發出刺眼的光芒。由于氣體和灰塵落入圓盤時並不聯貫,類星體的光芒也會隨之變化不定。

    但2013年末,科學家卻發現了一個與眾分歧的類星體。格雷厄姆和同事們操縱“卡塔琳娜實時瞬變觀察”10年來收集的數據,找到了一個奇異的信號來歷,竟有著可以猜測的變化紀律。這個類星體名為PG 1302-102,距地球約35億光年。它似乎會穩定地變亮、再變暗,每隔五年半便重復一次,就似乎有人在漸漸操控亮度控制開關一樣。

    是什麼形成了這類循環呢?格雷厄姆暗示︰“我們提出了四五種分歧的物理詮釋。”比如說,另一個超大質量黑洞的運轉能夠會定期改變該類星體輻射的朝向,大概能夠使灰塵盤中扭轉的物資發生扭曲,從而使其亮度發生周期性變化。這些詮釋都有一點配合之處︰只要當類星體PG 1302-102中心的黑洞簡直由兩個黑洞組成時,才可以說得通。

    距格雷厄姆和同事們估量,假如類星體PG 1302-102中心簡直存在雙黑洞系統,兩者間隔能夠只要0.01秒差異。另一項由哥倫比亞大學展開的研討甚至提出了更小的猜測,唯一0.001秒差異,約相當于太陽系的直徑。到了這類水平,兩個黑洞該當已經在“寬衣解帶”(脫掉的實在是引力波),就差沒撲進對方懷中了。只要研討職員讀取的PG 1302-102信號無誤,那末不管是哪類情況,都能說明同一個題目︰大自然已經處理了“最初的1秒差異題目”。

    格雷厄姆和同事們今朝已在卡塔琳娜項目數據庫中找到了100多個能夠包括雙黑洞系統的類星體,兩個黑洞之間的間隔都遠小于1秒差異。若這些猜測獲得證實,科學家即可對這場“合並大戲”奧秘的終極章來一次“驚鴻一瞥”。

    但是,要想弄清相隔很近的兩個黑洞是若何分開穩定軌道、實現終極合並的,也許還需要我們以全新的方式看待宇宙。“我們現在只是借電磁波瞎試探而已。”歐文這樣描寫科學家們操縱傳統千里鏡尋覓雙黑洞系統的做法。從理論上來說,黑洞合並開釋出的能量應相當于超新星爆發的1億倍,但這些能量全都以引力波、而非光芒的形式存在。“我們要學會用‘眼楮’去‘听’,就似乎經過鼓面的振動判定鼓在發聲、而不是經過鼓聲來判定一樣。”

    經過引力波觀察黑洞合並可以使情況清楚明了很多。“從星系中心發出的光芒常常會被氣體和灰塵雲吸收、重新發射、大概散射開來,致使我們看到的情形昏暗而扭曲。”加州理工學院與馬克斯€€普朗克射電天文學研討所的天體物理學家基婭拉€€明加雷利詮釋道,“而引力波則不受氣體和灰塵影響,可以徑直穿過。”

    但是,探測引力波也絕非易事。引力波天文學尚在起步階段,況且就連LIGO這樣的頂級天文台敏感度也不夠高,沒法探測到天文學家思疑雙黑洞系統合並時發出的、緩慢振蕩的引力波。

    是以研討職員決議換一種路子,操縱大自然供給的“千里鏡”€€€€毫秒脈沖星停止探測。這類天體是恆星爆炸後留下的“遺骸”,密度極高、轉個不停。它們就像海面上的浮標一樣,以原子鐘般的切確度,定期向地球發射一道射電波。當悠遠星系中的兩個黑洞正在跨越最初的1秒差異時,發生引力波可對這些毫秒脈沖星發出的信號形成干擾。是以經過觀察銀河系中數十個毫秒脈沖星的信號變化,天文學家便能判定它們能否遭到了引力波的影響。

    這些射電波的光譜特征將供給一系列重要數據,幫助物理學家測試或完善黑洞合並模子。威斯康星大學密爾沃基分校研討生約瑟夫€€西蒙指出︰“要想了解兩個黑洞在跨越最初1秒差異時究竟發生了什麼,弄清這位終極‘幕後推手’的成分,脈沖星測時陣列是我們唯一可用的工具。”

    而就算探測不到引力波,也可作為一條重要線索。西蒙指出,歷經了快要十年的計時,脈沖星測時陣列的敏感度“終于到達了充足高的水平,就算什麼都沒探測到,也能流露一些重要信息。”這些測時陣列至今一無所獲,說明理論學家對黑洞跨過最初1秒差異後履歷的料想能夠存在誤區。黑洞的部分能量也許不會以引力波的形式發散進來,而是經過與鄰近恆星和藹體的某種未知相互感化消失掉了。也許黑洞會將接近自己的恆星遠遠甩出,大概黑洞的引力會使四周的灰塵氣體盤發生改變。若物理學家能弄清這類能量消失機制,也許就能詮釋黑洞是若何跨過最初這1秒差異的了。

    物理學家的經心計較將使他們有機遇檢驗愛因斯坦的預言。正如歐文所說︰“我們談起廣義相對論時,就似乎它已經被完全考證了一樣。”但科學家還從未在黑洞合並這樣的極端引力事務中檢驗過該理論。此類事務與牛頓物理法例相去甚遠,我們熟悉的能量、動量和質量等概念也落空了原本的意義。假如黑洞合並發出的引力波簡直比廣義相對論預言的弱,也許是時辰該做些點竄了。

    了解黑洞“戀愛故事”的終極目標還是為了更好地熟悉地球,弄清我們所處的引力波情況究竟是一片“汪洋大海”,還是一條“涓涓細流”。歐文指出︰“這實在是兩種截然分歧的‘時空陸地’,一個海不揚波,一個波濤洶涌。”
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