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引力波为黑洞提供“宇宙 DNA 测试”

  • 2025-01-29
  • Armanda

你可以从一个人的一般特征中了解很多关于他的血统的信息。一个孩子可以有父亲的眼睛,母亲的微笑,甚至可能有祖父的男性型秃发(谢谢,祖父)。

然而,几乎没有什么决定性的特征——正如理论物理学家约翰·惠勒所说,“黑洞没有毛发(就像你谦虚的作者一样)。当然,根据身体特征测试孩子的血统太过主观——这通常是 DNA 测试的用武之地。这种测试可以提供一种更科学的方法来检查一个人的血统,新的研究表明对黑洞进行类似的血统测试。

然而,这些宇宙 DNA 测试并不依靠脸颊拭子或少量血液,而是利用时空结构中的微小涟漪,称为引力波,该涟漪首先由110年前。

由卡迪夫大学研究人员领导的一个科学家小组发现,由逐渐变大的祖黑洞合并链形成的超大质量黑洞的祖先可能隐藏在它们的自转或“自旋”中。

此外,该团队的方法表明这些黑洞的旋转模式可以揭示它们诞生的空间区域。即使是人类 DNA 测试也无法告诉您婴儿是在哪家医院分娩的!

激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和处女座天文台等设施检测到的引力波可以用来“读取”这些信息,就像出生证明上的文字一样。

研究小组成员、剑桥大学研究员伊索贝尔·罗梅罗-肖 (Isobel Romero-Shaw) 表示:“我们的研究为我们提供了一种强大的、数据驱动的方法来确定黑洞形成历史的起源,表明它的旋转方式有力地表明它属于一组大质量黑洞,这些黑洞形成于人口稠密的星团中,其中的小黑洞反复相互碰撞和合并。”在一份声明中说。

黑洞家谱

当科学家发现一些黑洞质量太大而无法通过通常的方式(通过垂死的恒星)产生时,黑洞的祖先成为了一个好奇的问题。

当质量比太阳大得多的恒星耗尽其核心核聚变所需的燃料时,质量为太阳 10 至 100 倍的恒星质量黑洞就会诞生。随后,这些恒星在自身引力的影响下坍塌。

然而,超大质量黑洞的质量相当于数百万甚至数十亿个太阳。没有任何一颗恒星能够坍缩形成如此巨大的黑洞,因此​​人们提出了这样的理论:它们是由较小的黑洞合并而成的。

LIGO 和 Virgo 于 2015 年首次探测到来自合并黑洞的引力波,距爱因斯坦在他的引力理论(称为“引力理论”)中预测引力波已有 100 年。。这以及这些机构此后“听到”的大量合并有助于证实这种“合并增长”理论。

艺术家的概念图:两个黑洞在合并之前相互环绕。(图片来源:美国宇航局)

广义相对论预测,具有质量的物体会导致时空结构或时空“扭曲”。重力是由这种扭曲产生的。

爱因斯坦还预测,当物体在时空中加速时,会引起以光速向外辐射的涟漪。然而,这些所谓的引力波只有当所涉及的物体确实很大时才能被探测到——而黑洞就符合这个要求。黑洞的合并与引力波的发射有着内在的联系。

一旦黑洞靠得足够近,在彼此旋转时形成双星,这种恒定的加速度(加速度是速度的变化)和方向,因此圆周运动代表永久加速度)设置了引力波振铃的时空结构。

当这些双星系统发射引力波时,时空中的那些涟漪会带走角动量。这会导致二进制收紧。换句话说,黑洞靠得更近了。

这导致双黑洞发射引力波的速度越来越快或频率越来越高,这意味着它们越来越近。这种情况一直持续到这些黑洞的相互引力占据主导地位,它们被迫聚集在一起,碰撞并合并。

这次合并产生了一个子黑洞,它比其父母的质量更大,但由于引力波的高频“尖叫”中的质量损失,不完全是其质量的总和。

双黑洞的插图,像带有引力波的钟声一样在时空中响起。(图片来源:ESA–C.Carreau)

卡迪夫大学物理与天文学学院的团队负责人法比奥·安东尼尼在声明中表示:“随着我们用 LIGO 和 Virgo 等引力波探测器观察到更多黑洞合并,我们越来越清楚地看到黑洞表现出不同的质量和自旋,这表明它们可能以不同的方式形成。” “然而,确定这些形成情况中哪种最常见一直具有挑战性。”

为了解开这个谜团,研究小组查看了 LIGO 和 Virgo 探测到的 69 个引力波事件的数据。

他们发现,当黑洞达到一定质量时,黑洞的自旋就会发生变化。这代表了一个明确的质量阈值,在该阈值下黑洞的自旋不断变化。研究小组发现的模式与黑洞通过密集星团中的重复碰撞而生长的模型相对应。

利用这些发现,科学家现在可以改进用于模拟黑洞形成和生长的计算机建模技术。

当未来的引力波信号被 LIGO、Virgo、拟建的地下引力波天文台(爱因斯坦望远镜)以及即将推出的天基引力波探测器 LISA(激光干涉仪空间天线)等设施探测到时,此类精细模型可用于更好地解释这些信号。

团队成员、芝加哥大学研究员托马斯·卡利斯特在声明中表示:“与其他研究人员合作并使用先进的统计方法将有助于证实和扩展我们的发现,特别是当我们转向下一代探测器时。” “例如,爱因斯坦望远镜可以探测到更大质量的黑洞,并为它们的起源提供前所未有的见解。”

该团队的研究成果于周二(1月7日)发表在期刊上物理评论快报。

最初发布于太空网。

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