引力波正在幫助我們解開黑洞如何形成的謎團

【博科園-科學科普】2015年9月14日清晨LIGO奇蹟般地成為一個巨大的科學發現者。這是有史以來第一次觀測到「引力波」，一個世紀前由阿爾伯特·愛因斯坦預測的時空結構的微小波紋。這個信號來自於兩個黑洞合併超過10億光年，並在那天早上到達我們的星球。

LIGO 圖片：Kanijoman/Flickr, CC BY-SA

這一發現開創了一個全新的天文學時代，接著又有兩種檢測結果(可能是第三種)，所有這些都來自於對黑洞的合併。這些測量已經開始幫助科學家解開宇宙中最保守的秘密。新研究發表在《自然》雜誌上(「用引力波區分自旋和各向同性黑洞的數量」)，顯示出我們是多麼接近於計算出黑洞如何形成。

由LIGO研究的黑洞——每一個都在太陽質量的10到30倍之間以光速的一半的速度運動時發生碰撞，同時也會扭曲空間和時間。兩個黑洞的合併比可見宇宙中所有恆星的結合釋放出的能量更大。

然而當時空扭曲，以光速飛行超過10億年，到達地球時漣漪確實非常微弱——它的伸展和擠壓空間不到1個部分。這意味著在LIGO探測器中製造的鏡子的尺寸小於原子核的千分之一。難怪引力波如此難以探測。

黑洞不完整的科學

黑洞是大質量恆星的無限密集殘餘。研究它們為天體物理學家提供了一窺這些恆星的生命。第一個引力波檢測的關鍵問題之一是：這些重黑洞是如何接近合併的？

揭開黑洞形成過程的歷史是很重要的——它可以幫助我們了解在稠密的恆星環境中，巨大的恆星和相互作用的神秘老化，到目前為止已經提出了兩種不同的場景。

第一個觀點認為兩個大質量恆星是天生一對。它們之間的相互作用可能是在月球升起海洋潮汐的方式上，在彼此的表面上起作用。或者他們可能交換了氣體，其中一顆恆星將物質吹向太空，另一顆星則捕獲了其中的一部分。

最終每顆恆星都坍塌成一個黑洞。如果黑洞足夠接近那麼它們以引力波的形式從軌道上逐漸失去能量將導致兩個黑洞螺旋上升並最終合併。這種情況被稱為孤立的雙黑洞系統演化。

另一個選擇是兩個黑洞是獨立形成的，但在一個環境中有很多恆星緊密地聚集在一起。在這個被稱為動力形成的場景中，一個與其他恆星的引力相互作用的序列可以使兩個黑洞相互環繞。

由兩個黑洞合併而產生的引力波的數值模擬，包括自旋(綠箭頭)。圖片：NASA/wikipedia

我們還不知道哪種情景是正確的，但大自然提供了一個令人興奮的暗示，黑洞繞著自己的軸旋轉。從一些觀測中知道，在我們的星系和它的鄰近星系中圍繞黑洞運行的恆星，有時黑洞似乎正在快速旋轉。如果LIGO看到的黑洞是由已經相互環繞的恆星形成的，那麼這些自旋應該與軌道保持一致。但是如果由其他幾顆恆星的引力影響形成的黑洞，旋轉將是隨機的相對於軌道，這意味著在一個稠密的環境中獨立形成。

在一篇新的論文中來自英國伯明翰大學和美國馬里蘭大學和芝加哥大學的科學家團隊分析了LIGO探測到的合併黑洞的旋轉和軌道的排列。結果表明測量的引力波相位受到黑洞旋轉的影響。因此這種自旋的某些成分——即有效的自旋——在數據中是固定的。

如果這個有效的旋轉是大而積極的，黑洞就會快速旋轉和旋轉與軌道相同的方向。如果它是大的和負的，黑洞就會在軌道上快速反向旋轉。如果它接近於零，那麼要麼黑洞的自旋與軌道發生了明顯的偏離，要麼兩個黑洞都在緩慢地旋轉。

到目前為止關於合併黑洞的LIGO觀察發現，有效的自旋與零一致，只有一個觀察。因此得出的結論是：如果黑洞快速旋轉，數據就會指向缺乏對準——而黑洞並非來自成對的恆星。這確實很有可能是黑洞可以快速旋轉——我們星系的觀測結果表明事實是這樣的。

只有10個額外的探測就有可能確定黑洞對的來源。然而合併黑洞有可能對我們在銀河系中觀察到的黑洞有著不同的進化史，而且是緩慢旋轉的。如果是這樣就需要更多的觀察。不管怎樣這項研究表明了引力波的發現有多麼重要——打開了一個全新的宇宙之窗。

參考：Nanowerk News

作者：伊利亞·曼德爾（理論天體物理學教授）

來自：nano werk

編譯：中子星

審校：博科園

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