一場由引力波引起的黑洞調查

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黑洞合併的藝術想像圖

來源：LIGO/Caltech

2016年1月，激光干涉引力波天文台（LIGO）的研究人員宣布首次發現引力波，從而創造了歷史。LIGO在美國國家科學基金會（NSF）的支持下，由加州理工學院（Caltech）和麻省理工學院（MIT）運營，致力於研究愛因斯坦的廣義相對論所預測的引力波。

根據來自加州大學歐文分校（UC Irvine）宇宙學中心的天文學家主導的一項新研究，這種產生引力波的黑洞合併的發生，比我們想像中還要普遍得多。在對黑洞進行調查、計算和分類後，UCI團隊確定，銀河系中可能存在多達一億個黑洞，這一發現對引力波的研究具有重要意義。

這項研究詳細描述了他們的發現，標題為《計數黑洞：宇宙恆星遺迹數量及其對LIGO的影響》，最近發表在《皇家天文學會月報》，由加州大學歐文分校物理與天文學系博士後奧利弗（Oliver d. Elbert）領導的研究小組對LIGO探測到的引力波信號進行了分析。

位於路易斯安那州利文斯頓和華盛頓洲漢福德的LIGO設備

他們的研究大約始於一年半以前，即LIGO宣布第一次發現引力波之後不久。這些引力波是由兩個遙遠的黑洞合併而產生的，每個黑洞相當於約30個太陽質量。正如加州大學歐文分校的天文學教授詹姆斯·布洛克(James Bullock)在UCI的新聞稿中解釋的那樣:

「從根本上說，對引力波的探測意義重大，因為它證實了愛因斯坦廣義相對論的一個關鍵預測。後來，我們更仔細地研究了在天體物理上的實際情況——這是2個30個太陽質量的黑洞的合併。這太令人震驚了，讓我們不禁好奇：這種尺寸的黑洞有多常見，它們合二為一的頻率有多高？」

傳統上，天文學家一直試圖解釋LIGO在已知的星系形成方面的多重引力波探測。除此之外，他們還試圖建立一個框架來預測未來的黑洞合併。

研究組得出，銀河系有多達1億個黑洞，據估計，其中的數千萬個黑洞約為30倍太陽質量，即類似於在2016年讓LIGO探測到第一個引力波的黑洞的質量。舉個例子，距離我們星系中心約25萬光年的天龍座矮星系，可能容納了大約100個黑洞。

藝術家想像圖

來源：The SXS Project

研究組進一步確定，現在大多數質量較小的黑洞（約10倍太陽質量）多存在於約1萬億太陽質量的星系（大星系）中，而巨大的黑洞（約50倍太陽質量）多存在於約100億個太陽質量的星系（矮星系）內。在考慮了星系質量和恆星元素的關係之後，科學家們將星系中黑洞的數量看做其恆星質量的函數。

此外，他們還試圖確定黑洞成對出現的頻率、黑洞合併的頻率，以及合併的過程需要多久。研究分析表明，只有很小一部分的黑洞合併符合LIGO所觀察到的現象。天文學家們提供了一些預測：在未來十年中，可能會出現更大黑洞的合併。

左起，詹姆斯·布洛克(James Bullock)，物理學和天文學講座教授；馬洛奇（Manoj Kaplinghat），物理學和天文學教授；奧利弗·埃爾伯特（Oliver Elbert），物理學和天文學研究生。

來源：Steven Zylius / UCI

正如這項研究的第二作者、天文學教授馬洛奇（Manoj Kaplinghat）解釋道:

「研究表明，只有0.1~1%的黑洞合併可以解釋LIGO所觀測到的信號。當然，黑洞合併需要合理的時間和足夠接近的距離，這是一個開放性的問題…如果當前對恆星演化的想法是正確的，我們的計算表明，即使是50倍太陽質量的黑洞合併，也將會在近幾年被發現。」

換句話說，我們的星系可能充滿了黑洞，而合併可能會定期發生（相對於宇宙的時間尺度）。因此，我們可以預計，未來幾年將會有更多的引力波探測。這並不令人意外，因為自2016年冬以來，LIGO已多次檢測到引力波。

科學家們意蘊期待——天文學家將有更多機會研究黑洞的合併，更不用說目盼心思的物理學家了！

內容選自：universetoday

翻譯：GLA

責任編輯：解仁江

牧夫新媒體編輯部

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