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解码引力波信号“弦外之音”验证黑洞“无毛”形象

2019-11-08 13:28:58

来源:蛟龙网

4年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被捕捉到,科学家将引力波转化成声波,人类开始“听”到黑洞。这一结果,与用其他方法分析黑洞合并产生的引力波信号得到的新生黑洞的质量和自旋一致,进而证明了爱因斯坦广义相

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金锋

在宇宙中,黑洞可以吞噬所有的光和物质,就像一个神秘的影子。一百多年来,它经常被人类“发现”,但总是难以理解。四年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被捕获。科学家将引力波转换成声波,人类开始“倾听”黑洞。五个月前,世界各地的天文学家同时公布了第一个黑洞的真实外观,人类终于“看到”了黑洞。

最近,人类又破解了黑洞密码。在《物理评论快报》上发表的一篇文章中,研究人员说他们“理解”了一个新黑洞的“声音”。我们还发现,通过分析这种“发声”模式的特征,可以得到黑洞的质量和自旋。这一结果与用其他方法分析黑洞合并产生的引力波信号得到的新生黑洞的质量和自旋一致,从而证明爱因斯坦的广义相对论是正确的,黑洞作为“秃头巨人”的无毛定理也得到验证。

“铃响”包含黑洞属性

100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言,如果两个黑洞在宇宙中碰撞,它们将合并产生一个新的黑洞。它诞生后的“振动”,即引力波,将产生反向声波向外传播,就像被敲击的时钟一样。然而,100多年后,新生的黑洞及其引力波仍然是一个谜,没有被人类观察到。

2015年9月14日,科学家首次用ligo探测到,13亿光年之外的两个黑洞旋转扭曲在一起,辐射携带黑洞质量和自旋信息的引力波。该事件被命名为gw150914。

科学家们消除了探测器的噪音并放大了引力波信号后,他们观察到一种在衰减前会迅速增加的波形。当他们把信号转换成声音时,他们听到类似“啁啾”的声音。

“引力波发出的啁啾声是一种图像隐喻。它的波形与声波非常相似。”中国科学院紫金山天文台宇宙高能粒子加速和辐射研究小组首席科学家刘思明在接受《科学日报》采访时说。

在这个探测器中,科学家确定引力波是由两个巨大黑洞的合并触发的。信号的峰值和啁啾的最大部分是两个黑洞碰撞并合并成一个新黑洞的时刻。

在接下来的四年里,科学家们经常探测到引力波,但是没能破译黑洞的性质。

刘思明做了一个类比:“两个黑洞合并后新黑洞产生的引力波就像敲钟后的尾音。铃声响起时,声音最大,然后逐渐衰减。然而,尾部声音的频率与时钟的大小有关。通过分析声音,可以推断出时钟的质量和材质。

层层涟漪有不同的振荡频率

尽管新生的黑洞可能会产生自己的引力波,但科学家认为,它的信号“声音”太弱,无法用两个黑洞最初碰撞的噪音来解释。

然而,研究小组发现了一种新的方法,可以在信号达到峰值后立即提取黑洞的“声音”。通过数据模拟,研究小组发现,当信号达到峰值时,仍然有一种“暗示”——一组响亮而简短的“声音”。当他们考虑到这种“暗示”并重新分析信号数据时,他们发现他们可以成功地从新生黑洞中分离出一种新的“声音”模式。

研究人员将这项新技术应用于gw150914的实际观测数据。分析表明,在信号峰值后的毫秒内,至少有一个具有较低频率和较快衰减的“暗示”,并确定了两种不同的“声音”模式。每个“音调”和衰减数据都来自新生黑洞。

科学家通过数值模拟计算引力波的演化过程,然后确定黑洞的质量和自旋。科学家还利用信号峰值后的“声音”特征来确定新生黑洞的质量和自旋。

“我们探测到由多个频率组成的全球引力波信号,这些信号以不同的速率逐渐消失,就像组成声音的不同音高一样。”“每一种频率或音调都对应于新黑洞的振动频率,”该论文的第一作者、美国麻省理工学院的研究员伊西说。

为什么黑洞会发出不同振动频率的引力波?南京航空航天大学副教授李金斌表示,黑洞合并早期产生的引力波就像往湖里扔石子一样。卵石的摆动在湖面上形成不同的波纹。不同的波纹有不同的振动频率。最初的振荡是最强烈和最快的,此时传输的能量最大。

“以前,科学家们在更安静的时候对黑洞研究得更多,而在合并的初始阶段研究得更少。这部分是因为科学家认为强引力波的振动来自许多非线性模式的混合,很难分析和提取。然而,在这项研究中,“声音”实际上是一种线性叠加,可以分离不同的振动频率李金斌说道。

“音调”和衰减证明无毛定理

在爱因斯坦看来,具有一定质量和自旋的黑洞只能产生一定的“音调”和衰减。

在这项研究中,科学家使用广义相对论方程来计算衰减的引力波信号与新生黑洞的质量和自旋之间的关系。

通过比较观测数据,由两个黑洞合并而成的新黑洞重约68.5太阳质量。

这一结果与利用完整引力波信号获得的新生黑洞质量和自旋数据相一致,也验证了黑洞的“无毛”定理。

美国著名物理学家约翰·惠勒预测黑洞只有三个可观察的特征,即质量、自旋和电荷。形成黑洞的天体,它们的“毛发”,即其他特征,应该被黑洞吞噬。

然而,黑洞是否有“毛发”,学者们争论了几十年。爱因斯坦也提出了一种测试这一理论的方法。当两个黑洞碰撞并形成一个新的黑洞时,产生的引力波将在空间和时间上引起涟漪。新黑洞的质量和自旋属性应该用引力波的某些“音调”来编码。

这次发表的论文支持黑洞的“无毛”定理,并给出了黑洞的“发声”模式。这些结果与之前其他人对黑洞质量和自旋的测量是一致的。

“如果科学家的计算结果和测量结果之间有显著的偏差,就意味着黑洞产生的引力波模式不仅仅取决于质量、自旋和电荷,这证明了广义相对论预测的黑洞“无毛”定理是错误的。但是相反,这项研究证明黑洞的质量和自旋可以用引力波的特定频率和衰减率来测量。”刘四说得很清楚。

然而,李金斌认为,虽然这是第一次直接验证“无毛”定理的实验测量,但并不意味着所有黑洞由于目前的观测、分析工具和分析能力而不具备“无毛”。

刘思明认为,如果存在量子效应,爱因斯坦的理论可能不够准确。正如牛顿的引力理论在试图描述合并黑洞时完全不适用一样。

然而,随着ligo分辨率的提高和未来更灵敏仪器的引入,研究人员将能够使用这种方法从其他新生黑洞“听到更多”声音。

“未来,我们将在地球和太空中拥有更好的探测器,我们不仅能看到两种模式,还能看到几十种模式,并能精确测量它们的性质。”Isi说,“如果这些不是黑洞,如果它们是更奇特的物体,比如虫洞或玻色子,它们听起来可能有不同的方式,我们将有机会‘听到’它们。”

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