我们第一次发现两个黑洞在深空中碰撞:黑洞的合并产生了光



黑洞的碰撞产生的动静是如此的巨大,它扭曲了时空的结构,发出的引力波席卷整个宇宙。引力波浪冲刷了整个地球,经过微调的探测器让我们能够以惊人的精度“听到”这些碰撞。但是,我们无法“看到”它们。黑洞以巨大的引力吞噬了光和辐射,因此这些合并对我们仍然是看不见的。


直到S190521g为止,2019年5月21日检测到候选重力波事件。

当引力浪撞击地球时,它触发了美国双子LIGO设施和意大利处女座天文台的重力波探测器。该信号告诉研究人员,它们刚刚听到两个巨大的黑洞在遥远的空间相撞。幸运的是,大约在同一时间,位于加利福尼亚帕洛玛天文台的Zwicky瞬态观测站的伸缩望远镜对准了同一空间区域。

研究数据时,研究人员发现了大约在同一时间发生的爆炸性耀斑。

在周四发表在天体物理学杂志《 Physical Review Letters》上的一项研究中,天文学家详细介绍了ZTF探测到的耀斑,以及为什么他们认为它与S190521g合并的黑洞有关。如果他们的理论得到证实,那将是任何人第一次检测到与黑洞碰撞有关的电磁对应物-光。

与该研究无关的澳大利亚莫纳什大学天体物理学家罗里·史密斯说:“如果GW和EM信号相关,那将是令人难以置信的。”

这项新的研究基于一种理论,即黑洞合并经常发生在围绕超大质量黑洞的吸积盘中。吸积盘是一个充满气体,灰尘,恒星和黑洞的旋转区域,在这种极端的环境下,宇宙中的野兽不断相互接触-会面,跳舞和潜在碰撞。在以往的研究预测从黑洞合并爆炸性耀斑可能是什么样子,如果它在吸积盘的发生。

根据团队的预测,ZTF的首席科学家,研究的第一作者Matthew Graham和他的团队继续在ZTF数据中寻找这种爆炸性耀斑,并最终在一个名为J1249 + 3449的遥远超大质量黑洞附近找到了他们的候选人。该小组认为,巨大的气盘中合并了一对黑洞,合并导致“反冲”,扰乱并加热了气体和碎屑。令人不安的是ZTF接收到的信号。

格雷厄姆解释说:“新的新的合并黑洞受到了打击,物质也随之而来。它猛撞击到周围的这种气态环境中,你会感到震惊-这是耀斑的起因。”

这种耀斑并非闻所未闻。4月,天文学家看到一个与黑洞有关的耀斑冲破了OJ 287星系的气态圆盘。OJ 287中的现象略有不同,但Graham解释说,该团队“真的很高兴”,其他科学家可能对他们提议的事件类型很熟悉。



2019年8月14日,一道引力波-穿越时空结构产生巨大涟漪-席卷了地球。该波在美国和意大利被精密的微调激光器检测到。这真是令人惊讶。激光以前曾拾取黑洞碰撞和中子星碰撞,但现在却暗示了一些前所未有的事情:黑洞粉碎成中子星。

该信号是激光干涉仪引力波天文台和意大利处女座天文台的重力波科学家所见过的最强信号之一。被发现后不久便发出警报,世界各地的天文学家团队将他们的望远镜转到了波从其发出的空间点。

但是他们的搜索空了。没有光,没有X射线,没有红外线,没有伽马射线。

这件事令人费解。随着科学家开始仔细研究数据,事情变得更加令人困惑。周二,来自LIGO和处女座合作组织的研究人员在《天体物理学杂志快报》中详细描述了他们对引力波检测(称为GW190814)的完整分析。这是对史诗般的宇宙碰撞的首次详细研究,并且仅加深了奥秘。

澳大利亚莫纳什大学天体物理学家罗里·史密斯说:“ GW190814,我认为,这是我们第一次观察到引力波,其中的波源确实令人费解。” “我进入LIGO已有10多年了,这无疑是我们见过的最激动人心的事件之一。”

该研究的关键是两个LIGO设施和处女座设施,它们可以检测引力波。诸如黑洞和中子星这样的极端天文物体在碰撞时会在宇宙中发出波。这些设施本质上是在聆听巨大的宇宙野兽相互碰撞的声音-然后向后工作以了解它们的物理特征。

史密斯和他的同事们一直在使用超级计算机来模拟这些类型的碰撞,这有助于执行反向计算并可以推断出物体是什么,它们可能的质量及其下落。

他说:“我们使用奇特的并行化算法,可以在包含数百或数千台独立计算机的超级计算机集群上运行我们的分析。” “在笔记本电脑上运行相同的分析大约需要50到100年的时间。”

观测显示,GW190814对在8亿光年远的太空深处相撞。这对中的一半绝对是黑洞,比我们的太阳大约23倍。但是它的舞伴却是神秘的-另一个物体的质量只有我们太阳的约2.6倍,这使它处于一个奇怪的位置。

墨尔本大学的天体物理学家汉娜·米德尔顿(Hannah Middleton)说:“这是以前从未见过的。” 它可能是一颗中子星,也可能是一个黑洞。米德尔顿说,关于那个……“有点神秘”……但这也是一个问题。

史密斯指出:“很难解释黑洞或中子星可能是约2.6太阳质量。”

科学家们从未发现过如此黑洞。预计中子星不会那么重-当它们变得太大时,它们会塌陷成黑洞。因此,这个神秘物体似乎是某种与我们目前的理解不符的金发姑娘。无论结果如何,它都会将我们的知识重写为两个极端对象之一。

有趣的是,如果它是一颗超重的中子星,他说:“也许甚至需要新的物理学来解释它。” 如果这是一个淡黑洞,那么我们对轻饥宇宙兽形态的方式和位置的理解将被重写。这是科学的双赢局面。

GW190814只是第二次重力波检测发现物体质量存在明显差异。2019年4月12日检测到的两个黑洞之间的碰撞 被称为GW190412,显示出质量差超过20个太阳质量。这些巨大的差异非常有用:它们使研究人员能够测试爱因斯坦的广义相对论。GW190814和GW190412都符合爱因斯坦的预测。

GW190814非常罕见。在三年的观察中,我们仅看到其中一个事件,而要找到更多事件还需要一段时间。自3月以来,LIGO和处女座探测器已经关闭,由于冠状病毒大流行,它们的最后一次观测运行提前结束,直到明年年底才恢复在线。

史密斯说:“我们的探测器目前正在升级,因此打开时它们将更加敏感。” “到那时,我们期望不仅看到更多的系统,例如GW190814,而且可能还会看到其他意想不到的引力波源。”

这就留下了很多尝试解释神秘物体的空间。这是黑洞吗?它是中子星吗?

“理论家在解释GW190814之前有很多有趣的工作!” 史密斯说。

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