5個月發現35個引力波信號,科學家:宇宙天體碰撞比想象中殘酷

宇宙中應該沒有什麼能比得上黑洞的破壞力,其引力之大,甚至連光線都被無情地吞噬,所以你可以想象探測黑洞事件視界內的區域是多麼困難。然而,有一個災難性事件可讓科學家們一瞥黑洞漩渦和了解那里發生了什麼——黑洞之間的碰撞。

黑洞等「宇宙巨獸」的猛烈碰撞會扭曲時空結構,產生稱為引力波的漣漪。在歷史的大部分時間里,科學家都沒有注意到那些天體碰撞發出的‘隆隆聲’。然而,人類自2015年探測第一個引力波信號后,引力波的直接探測已成為探索觀察宇宙中未知現象的新方法。

根據 ArXiv 上發表的一項新研究顯示,一個國際研究團隊公布了有史以來探測到的最大數量的引力波。他們在 2019年11月至2020年3月之間的5個月內,用LIGO-Virgo干涉儀探測了 35次巨大的引力波事件

宇宙最殘酷、暴力的大事件!

在大約100年前,愛因斯坦就已經預言了引力波的存在。但直到2015年,研究人員才設法真正檢測到它們。為什麼科學家隔了百年才發現呢?

其實一直以來,天文學家主要是用電磁輻射(光)來觀察宇宙,但光會和宇宙間有塵埃、有氣體等等物質相互作用,導致天文學家看到的星空是模糊的。而引力波不一樣,它依賴著空間而存在,可以穿透萬物。而以前沒有發現引力波,是因為引力波能引起的「波動」非常的小,即使最劇烈的天體碰撞產生的引力波動,傳到地球時,數量級也只有 10(-12次方)分之一,以至于愛因斯坦提出引力波后也表示可能永遠探測不到它的存在。

那2015年又是怎麼探測到的呢?答案在美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)的「L」設計。LIGO 包含了一組相互垂直、呈 L 形的兩根管子,每根管子的長度都是四公里。一開始,從交角處出發的激光,會被分光鏡分成兩道,各自沿著兩根管子前進,再由管末的反射鏡反射回來。激光來回反射四百趟之后,會在交匯處會合并互相干涉。

在沒有引力波的情況下,從兩根管子回來的激光走的路程長度完全相同,在干涉過程中會彼此抵消,不會產生信號。但如果引力波引起空間扭曲,就可能對兩根管子的長度產生影響,拉伸或壓縮了一點點,兩道激光的光程就會產生差異,回到交匯處時的相位也會有一點點差異,這一點點的差異就足以讓 LIGO 精密的干涉儀器產生干涉信號。簡單來說,LIGO的工作原理就是將傳遞到地球的微小引力波信號盡可能放大到可觀測的程度。

天不負有心人,在2015年9月,LIGO 團隊第一次探測到引力波,信號來自距離地球約13億光年的一次黑洞合并事件,其中兩個黑洞的質量分別約為36倍、29倍的太陽質量。后來在2017年發現中子星碰撞、2021年黑洞和中子星碰撞產生的引力波。

「一大波」引力波信號!

我們都知道,黑洞在宇宙中一直扮演著重要的角色,黑洞和中子星等天體的碰撞讓我們得以驗證引力波的存在。反過來,科學家也在利用引力波觀察和探索宇宙演化的秘密。

以澳大利亞國立大學為主要參與者的國際團隊透過 LIGO 和室女座探測器(Virgo detector)進行了三輪探測,第三輪探測是在2019年11月至2020年3月,結果在 短短5個月里探測到35個引力波信號,相當于每周發現近 1.7個引力波信號,也使自2015-2020年探測到的引力波總數達到了90個。

研究發現,35個引力波信號中有32個是由兩個黑洞合并引起的、2個可能是中子星和黑洞碰撞產生、1個神秘未知。

在這些信號的背后,團隊發現了一些亮點:

1.中子星-黑洞對(GW191219_163120和GW200115_042309)之間的兩次合并。GW191219 中的中子星或是有史以來觀測到的質量最小的中子星,質量為 1.17個太陽質量,并與一個 31個太陽質量的黑洞合并,這使其成為我們迄今為止觀測到的最極端質量比的事件。

2.一個24個太陽質量的黑洞和一個2.83個太陽質量的天體 (GW200210_092254) 之間的合并,它可能是一個輕黑洞或一顆重中子星。

3.一對巨大的黑洞相互環繞,質量分別為 87和61個太陽質量 (GW200220_061928)。換句話說,如果一個黑洞質量太大,它已經吞噬了其他大質量天體,可能是另一個黑洞。

4.一對輕型黑洞相互環繞(GW191129_134029),黑洞的組成質量分別為 10.7 和 6.7 個太陽質量——這是本次觀測中質量最小的一對。

5.一對相互繞轉的黑洞,其中有一個是在垂直旋轉(GW191204_171526)。

6.一對相互繞轉的黑洞,它們的總質量是112個太陽質量,其中一個似乎在倒轉(GW191109_010717)。

澳大利亞國立大學天體物理學家蘇珊·斯科特 (Susan Scott) 表示:「這是引力波探測的一個新時代,不斷增長的發現揭示了有關整個宇宙中恒星生死的大量信息。但也提出了一些非常有趣的問題。比如雙星系統的恒星一起變成黑洞?還是兩個黑洞是被星系中心動態環境推到一起?」

恒星生與死的秘密!

事實上,每個引力波信號都代表天體某種形式的猛烈事件,例如超新星爆炸或恒星和黑洞在宇宙高速公路上疾馳時的殘酷碰撞。而每個信號的獨特性,為科學家提供了關于大質量恒星如何在超新星爆炸中生存和死亡的重要線索。從探測數據看,宇宙中的天體碰撞比想象中殘酷、頻繁、暴力。

比如宇宙中兩個最極端的天體——黑洞和中子星。當最大質量的恒星死亡時,它們會在自身引力作用下坍塌形成黑洞。當質量稍小的恒星死亡時,它們會爆炸成超新星。剩下的是被稱為中子星的致密恒星殘骸,典型的中子星質量是太陽的一倍半,但所有質量都包含在一顆極其致密的恒星中,意味著一個調羹中子星的重量相當于地球全部人類!

而隨著越來越多的引力波被探測,研究人員正在越來越多地了解這些非凡的宇宙現象。這意味著我們實際上才剛剛開始看到黑洞和中子星的奇妙多樣性。新的檢測證明它們有多種尺寸和組合可供選擇。通過計算合并天體的質量,天體物理學家可以更好地了解恒星如何生存和死亡,以及它們死亡時為什麼會坍縮成黑洞或中子星、最終有助于研究人員解開恒星、甚至我們的宇宙是如何演化的真相。

歡迎來到一個新的天文學時代,在這個時代,黑洞和中子星會定期向地球傳遞它們的秘密。

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