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LIGO和处女座探测器的砰声表示迄今为止最大的重力波源

  • 科学
  • 2020-09-03 07:38:29
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天龙八部私服发布网 www.famlot.com 尽管拥有巨大的空虚,但宇宙却以引力波的形式嗡嗡作响。这些混响是由极端的天体物理学现象产生的,它们像宇宙钟形的叮当声一样起伏不定,震撼了时空。

现在研究人员已经从引力波中观察到的最大的黑洞合并中探测到了一个信号。合并后的产品是第一个清晰地检测到“中间质量”黑洞的装置,其质量是太阳质量的100到1,000倍。

他们于2019年5月21日在美国国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)上检测到了被标记为GW190521的信号,这是美国一对相同的,长4公里的干涉仪; 还有意大利的3公里长的探测器Virgo。

该信号类似于四个短时间的摆动,持续时间非常短,持续时间不到十分之一秒。据研究人员所知,GW190521是由大约5吉帕秒距离的源产生的,当时宇宙大约是其年龄的一半,这使其成为迄今为止检测到的最遥远的引力波源之一。

至于产生此信号的原因,是基于一套功能强大的最新计算和建模工具,科学家们认为GW190521最有可能是由具有不同寻常性质的二进制黑洞合并产生的。

迄今为止,几乎每一个确定的引力波信号都是来自两个黑洞或两个中子星之间的二元合并。这次最新的合并似乎是迄今为止规模最大的合并,涉及两个令人鼓舞的黑洞,其质量分别约为太阳质量的85和66倍。

LIGO-Virgo团队还测量了每个黑洞的自旋,发现随着黑洞的盘旋越来越近,它们可能绕着自己的轴旋转,而其角度与轨道的轴不对齐。黑洞错位的自旋可能会导致轨道旋转或“进动”,这是因为两个巨人相互螺旋形旋转。

新信号可能表示两个黑洞合并的瞬间。这次合并产生了一个更大的黑洞,大约有142个太阳质量,并释放出了巨大的能量,相当于大约8个太阳质量,以引力波的形式分布在整个宇宙中。

法国国家科学研究中心(CNRS)的处女座成员纳尔逊·克里斯滕森(Nelson Christensen)说:“这看起来不像是我们通?;峒觳獾降腸hi声。”他将信号与LIGO首次检测到重力2015年。“这更像是'爆炸'的东西,这是LIGO和处女座所看到的最大的信号。”

组成LIGO科学合作组织(LSC)和处女座合作组织的国际科学家团队在今天发表的两篇论文中报告了他们的发现。一个出现在《物理评论快报》中,详细介绍了这一发现,另一个出现在《天体物理学期刊快报》中,讨论了信号的物理特性和天体物理学的含义。

美国国家科学引力物理学程序主任佩德罗·马罗内蒂(Pedro Marronetti)说:“ LIGO不仅使我们惊讶,不仅发现了难以解释的黑洞,而且使用了并非专门为恒星合并设计的技术。”基础。“这非常重要,因为它展示了仪器检测来自完全无法预料的天体物理事件的信号的能力。LIGO显示,它还可以观察到意料之外的情况。”

在质量差距

两个鼓舞人心的黑洞以及最后一个黑洞的独特大质量引起了有关其形成的一系列问题。

迄今为止,所有观测到的黑洞都属于两类:恒星质量黑洞,其大小从几个太阳质量到数十个太阳质量不等,被认为是大质量恒星死亡时形成的?;虺笾柿康暮诙?,例如银河系中心的黑洞,其数量是成千上万次,甚至是太阳的数十亿倍。

但是,GW190521合并产生的最终142太阳质量黑洞位于恒星质量和超质量黑洞之间的中等质量范围内,这是有史以来第一个此类现象。

产生最终黑洞的两个祖黑洞在大小上也似乎是独一无二的。它们是如此之大,以至于科学家怀疑它们中的一个或两个可能不是像大多数恒星质量黑洞那样由坍缩的恒星形成的。

根据恒星演化的物理学,恒星核心中来自光子和气体的向外压力会支撑恒星抵抗重力向内推动,从而使恒星像太阳一样稳定。大质量恒星的核融合了像铁一样重的核后,它将不再产生足够的压力来支撑外层。当向外的压力小于重力时,恒星会在自身的重量作用下坍塌,发生称为核塌陷的超新星爆炸,并可能留下黑洞。

这个过程可以解释质量高达130个太阳质量的恒星如何产生高达65个太阳质量的黑洞。但是对于较重的恒星,一种称为“对不稳定性”的现象被认为会引发。当核的光子变得非常高能时,它们会变形为电子对和反电子对。这些对产生的压力小于光子,从而使恒星变得不稳定,以防万有引力坍塌,并且由此产生的爆炸足够强大,不会留下任何东西。甚至超过200个太阳质量的更大质量的恒星,最终将直接塌陷到至少120个太阳质量的黑洞中。因此,一颗坍缩的恒星应该不能在大约65到120太阳质量之间产生黑洞,该黑洞的范围被称为“对不稳定质量对”。

但是现在,产生黑洞GW190521信号的两个黑洞中的重质量为85 太阳质量,这是迄今为止在该对不稳定性质量差距内首次发现的黑洞。

“我们在质量差距中看到一个黑洞,这将使许多天体物理学家挠头,试图弄清楚这些黑洞是如何形成的,”阿耳emi弥斯实验室阿耳Christ弥斯实验室主任克里斯滕森说。法国尼斯天文台。

研究人员在第二篇论文中考虑的一种可能性是分级合并,其中两个祖先黑洞本身可能是由两个较小的黑洞合并而成,然后才一起迁移并最终合并。

加州理工学院物理学教授LIGO成员艾伦·温斯坦(Alan Weinstein)说:“这次活动提出的问题多于提供的答案。” “从发现和物理学的角度来看,这是一件非常令人兴奋的事情。”

“出乎意料的事情”

关于GW190521,还有许多其他问题。

当LIGO和处女座探测器侦听穿过地球的重力波时,自动搜索将梳理传入的数据以寻找有趣的信号。这些搜索可以使用两种不同的方法:一种算法可以从紧凑的二进制系统中产生的数据中挑选出特定的波形;以及更一般的“突发”搜索,这些搜索本质上是寻找与众不同的东西。

麻省理工学院物理学助理教授,LIGO成员Salvatore Vitale将紧凑型二进制搜索比喻为“通过梳理数据,将以一定的间隔捕获事物”,而相比之下,突发搜索更像是“万能”方法。

在GW190521的情况下,通过突发搜索可以更清楚地拾取信号,从而极有可能使重力波不是由二进制合并产生的,而是引力波。

温斯坦说:“断言我们发现了新事物的门槛很高。” “因此,我们通常使用Occam的剃刀:简单的解决方案是更好的解决方案,在这种情况下,它是一个二进制黑洞。”

但是,如果全新的事物产生了这些引力波呢?这是一个诱人的前景,科学家在他们的论文中简要地考虑了宇宙中可能产生其检测到的信号的其他来源。例如,也许引力波是由我们银河系中一颗正在坍塌的恒星发出的。信号也可能来自宇宙在最早膨胀时产生的宇宙弦,尽管这两种奇特的可能性都不符合数据以及二进制合并。

温斯坦说:“自从我们首次打开LIGO以来,我们满怀信心地观察到的一切都是黑洞或中子星的碰撞。这是我们分析允许发生这一事件的可能性不大的一次事件。尽管此事件与异常大规模的二进制黑洞合并相符,并且不利于其他解释,但它正在突破我们的信心极限,这可能使其变得异常令人兴奋。因为我们都希望新的东西出乎意料的是,这可能会挑战我们已经学到的知识。此事件有可能做到这一点。”

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