黑洞碰撞重塑物理 来自太空重要信号开启引力波天文学新时代

双星黑洞以引力波的形式辐射大量轨道能量。来源:马克·加尔利克

在宇宙尺度上，这一事件是灾难性的——黑洞合并剧烈地震动了周围的时空结构，并在整个宇宙中以光速发出一种时空振动，称为引力波涟漪。

然而，这正是地球物理学家们一直在等待的那种灾难。去年9月14日，当涟漪席卷新升级的LIGO时，它们以峰值的形式出现在路易斯安那州和华盛顿州的两个L型探测器的读数上。这是科学家第一次记录引力波信号。

“就是这样！”丹尼尔·霍尔兹是芝加哥大学的天体物理学家，也是LIGO团队的成员，他说:“它是如此的强大和美丽，以至于在两个探测器上都是如此。”尽管信号的形状在理论上是常见的，霍尔兹说:“当你在数据中看到一些东西时，它是完全不同的。这是一个神圣的时刻。”

这一信号因其出现日期而被正式命名为GW150914，被恰当地誉为物理学上的一个里程碑。它为阿尔伯特·爱因斯坦100年的广义相对论提供了许多证据。广义相对论认为物质和能量扭曲了空间和时间，重力就是这种扭曲的结果。斯图尔特·夏皮罗在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校进行了相对论计算机模拟，他认为这一最新发现是“广义相对论提出以来最重要的证实”。

然而，这一事件也标志着期待已久的引力波天文学时代的开始。对这一信号的详细分析已经对合并黑洞的本质及其形成方式产生了深入的见解。随着更多此类事件的出现(LIGO团队正在分析探测器四个月运行期间捕获的其他几个候选事件)，研究人员将能够分类并理解黑洞的起源，就像他们在研究恒星一样。

应该会发生更多这样的事件。自去年9月以来，升级后的LIGO已被安排与其欧洲“同行”一起观察——由法国和意大利领导的升级后的处女座设施。升级后的处女座位于意大利比萨附近，不仅将为这类事件提供关键细节，还将帮助天文学家比以前更精确地测量宇宙距离。

黑洞质量的估计

通过利用计算机模拟再现这一事件，科学家计算出这两个黑洞的质量分别是太阳的36倍和29倍，合并后的黑洞大约是太阳的62倍。丢失的差异大约是太阳质量的3倍，并以重力辐射的形式扩散开来。大部分在物理学家所谓的“关机”阶段消散。此时，合并的黑洞变成球形。该小组还推测，最终的黑洞可能会以每秒100转的速度旋转，尽管这个估计有很大的误差。

两个黑洞的推断质量也揭示了一些东西。根据推论，每个黑洞都是一颗质量接近太阳100倍的大质量恒星的残余，而另一个则更小。研究发现，热核反应能够以比较轻恒星快得多的速度将这些恒星核心的氢转化为氦，这使得它们在“诞生”数百万年后才会在自身压力下崩溃。这次坍塌释放的能量引发了一场被称为第二类超新星的爆炸，留下了一个成为中子星的残余核心。如果它的质量足够大，它将变成一个黑洞。

科学家认为，第二类超新星不应该产生比太阳质量大30倍的黑洞，两个黑洞都在这个区间的高端。这意味着该系统是在星际气体云中形成的，这些气体比银河系中常见的气体云富含氢和氦，但相对缺乏重元素。

荷兰奈梅亨大学的天文学家、升级版处女座合作团队的成员吉斯·尼莱曼斯说，天体物理学家估计，在这种低金属气体云中形成的恒星在爆发时更有可能形成巨大的黑洞。这是因为较小的原子不太可能被超新星爆炸吹走。结果，低金属度的恒星“失去的质量更少，进入黑洞的质量更多。”

两种情况

然而，这两个黑洞是如何在二元系统中终结的呢？当报道这一发现的论文发表时，LIGO和处女座团队在另一篇文章中描述了两个普遍接受的场景。

最简单的情况是，两颗大质量恒星以双星系统的形式诞生，由同一个星际气体云形成，就像两个黄色的蛋，从那以后它们就一直围绕着彼此旋转。数百万年后，其中一颗恒星将会燃尽并成为超新星，另一颗将很快紧随其后。结果是一个二元黑洞。

第二种情况是两颗恒星单独形成，但内部仍然是一个密度相同的星团——可能类似于一个围绕银河系运行的球状星团。在这样一个星团中，大质量恒星将向中心下沉，并通过与较轻恒星的复杂相互作用形成双星系统，这种相互作用可能在它们转变成黑洞后很久才发生。

莱顿大学天体物理学家西蒙·波特吉斯·兹瓦特进行的模拟显示，大质量恒星更有可能在碰撞和合并更为普遍的密集星团中形成。他还发现，一旦双星黑洞系统形成，位于星系团中心的复杂动力机制可能会以非常高的速度将两颗恒星踢走。升级后的LIGO探测到的双星在合并前的数十亿年里可能远离任何一个星系。

空间艺术

虽然探测到更多这样的事件将有助于LIGO开展许多科学研究，但它的干涉仪有其固有的局限性，因此有必要与目前在线的类似探测器的全球网络合作。

首先，对科学家来说，LIGO的两个干涉仪不足以准确确定引力波来自哪里。研究人员可以通过比较信号到达每个探测器的时间来获得一些信息:这种差异使他们能够计算出引力波相对于它们之间假想线的方向。然而，对于这个记录了6.9毫秒时差的事件，科学家们的计算只将范围限制在一个大的南方天空。

如果处女座上线，科学家可以通过比较引力波在三个地方的到达时间来大大缩小方向范围。借助第四干涉仪，它们的精度将进一步提高。目前，日本正在建造一个名为KAGRA的地下干涉仪，而印度正在规划自己的LIGO。

反过来，知道事件的方向将消除确定它与地球距离的最大不确定性之一。处女座的发言人、罗马智慧大学的物理学家弗里奥·里奇说，从与探测器完全垂直的方向接近的引力波将以实际振幅记录下来。然而，根据一个众所周知的公式，来自天空中其他方向的引力波将以一定的角度撞击探测器，并在一定程度上产生相对微弱的信号。甚至可能有一些盲点，这使得给定的探测器不可能找到引力波的来源。

因此，确定方向将揭示引力波的确切振幅。通过将这些数据与引力波在震源处的振幅进行比较，研究人员可以更精确地计算出震源处的距离。引力波的振幅可以从信号的形状中得到，而振幅是如何随距离而减小的，这可以从爱因斯坦的理论中得到。

这种情况几乎是前所未有的:天文距离通常是通过研究太阳系中已知天体到遥远星系的亮度来计算的。然而，中间的天空会使这些测量的“标准蜡烛”的亮度变暗。引力波打破了这一限制。