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黑洞合并產生的引力波有助于檢驗廣義相對論

黑洞


黑洞合并產生的引力波有助于檢驗廣義相對論


模擬顯示了兩個黑洞的合并 。(圖片鳴謝:SXS(模擬極端時空)項目)
據美國太空網（羅伯特·李）：科學家們發現了源于黑洞合并事件的引力波，這表明產生的黑洞穩定地形成了一個穩定的球形 。這些波也揭示了組合黑洞可能比先前認為的要大得多 。
當2019年5月21日首次探測到被稱為GW190521的引力波事件時，人們認為它來自兩個黑洞的合并，一個質量相當于85個太陽，另一個質量相當于約66個太陽 ?？茖W家認為合并因此產生了大約142個太陽質量的子黑洞 。
然而，最新研究的來自合并產生的黑洞的時空振動，隨著空洞分解成適當的球形，向外波動，似乎表明它比最初預測的更大 。根據計算，它的質量應該是太陽的250倍，而不是142個太陽質量 。
這些結果最終可以幫助科學家更好地檢驗廣義相對論，這是阿爾伯特·愛因斯坦1915年提出的引力理論，首次引入了引力波和黑洞的概念 ?！拔覀冋娴脑谔剿饕粋€新的領域，”加州大學的理論物理學家史蒂文·吉丁斯在一份聲明中說 。
引力波和廣義相對論
廣義相對論預測，具有質量的物體會扭曲空間和時間的結構——統一為一個單一的四維實體 ， 稱為“時空”——我們所感知的“引力”來自曲率本身 。
就像放在拉伸橡膠片上的保齡球會比網球造成更大的“凹痕”一樣，黑洞會比恒星造成更大的時空彎曲，恒星會比行星造成更大的彎曲 。事實上 ， 在廣義相對論中，黑洞是一個密度如此之大的物質點，它導致時空彎曲如此之大，以至于在一個稱為事件視界的邊界上 ， 甚至連光都無法以足夠快的速度逃離向內的凹陷 。
然而，這并不是廣義相對論唯一的革命性預測 。愛因斯坦還預測，當物體加速時，它們會使時空結構產生被稱為引力波的漣漪 。同樣，涉及的物體質量越大，這種現象就越極端 。這意味著，當像黑洞這樣的致密天體圍繞著彼此旋轉，由于它們的圓周運動而不斷加速時，時空就像一個被敲響的鐘一樣圍繞著它們，伴隨著引力波嗡嗡作響 。
時空中的這些波紋帶走了螺旋黑洞的角動量，這反過來導致黑洞的相互軌道收緊 ， 將它們拉在一起，增加了發射的引力波的頻率 。黑洞越來越近，最終合并，產生了一個子黑洞，并發出高頻引力波“唧唧”聲，在宇宙中回蕩 。
但是關于引力波 ， 愛因斯坦犯了一個錯誤 。這位偉大的物理學家認為，時空中的這些漣漪會非常微弱 ， 以至于在穿越宇宙數百萬甚至數十億光年后，它們永遠不會在地球上被檢測到 。
然而，2015年9月，位于華盛頓州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文臺(LIGO)的雙探測器顯示愛因斯坦是不正確的 。他們探測到GW150914，這是與位于約13億光年外的黑洞合并有關的引力波 。引力波信號是通過LIGO 2.5英里(4公里)長的激光臂的長度變化檢測到的 ， 相當于一個質子寬度的千分之一 。
值得注意的是，自那以后，LIGO和它的引力波探測器伙伴，意大利的Virgo和日本的KAGRA，已經探測到了更多這樣的事件，達到了每周探測一次引力波事件的地步 。雖然，即使在這個引力波探測的聚寶盆中，GW190521也很突出 。
一個特殊的引力波事件

黑洞合并產生的引力波有助于檢驗廣義相對論


模擬黑洞合并事件，創造了一個質量為太陽250倍的黑洞 。(圖片鳴謝:Virgo處女座)
GW190521信號背后的兩個黑洞的合并頻率非常低 ， 只有在黑洞的最后兩個軌道期間，頻率才變得足夠高 ， 達到LIGO和處女座的靈敏度極限 。
這項新調查背后的團隊——不屬于Virgo處女座合作的一部分——想知道這些黑洞的暴力碰撞和合并的信息可能被鎖定在這個信號中 。
他們發現，黑洞碰撞的瞬間，產生的黑洞具有不平衡的形狀 。黑洞只有在呈球形時才是穩定的 ， 這意味著在合并的幾毫秒內，子黑洞將不得不呈現球形 。
正如鐘的形狀決定了它響起的頻率一樣，該團隊表示，隨著這個新黑洞改變形狀并穩定下來，它發出的引力波的頻率也發生了變化 。這些所謂的“環降”引力波包含了關于子黑洞質量的信息，以及它的旋轉速度 。
這意味著這種合并產生的環降引力波為科學家提供了一種測量合并黑洞屬性的替代方法 ， 這與使用螺旋過程中產生的引力波的傳統方法形成了對比 。
研究小組在引力波信號GW190521中發現了兩個獨立的衰蕩頻率，當把它們放在一起考慮時，產生的黑洞的質量是250個太陽質量 。這意味著它比用螺旋引力波估計的要大得多 。對這些衰蕩引力波的探測甚至讓這些發現背后的團隊都感到震驚 。
“我從來沒有想過我會在有生之年看到這樣的測量 ， ”該研究的合著者、拉德布大學的物理學家巴德里·克里希南說 。
該小組的研究詳細發表在11月28日的《物理評論快報》上 。