天文学家如何在宇宙时间上追踪黑洞合并

资深撰稿人 Bruce Dorminey

Mar 11, 2024,12:58pm EDT

SCIENCE

    我报道航空航天、天文学并主持宇宙争议播客。

显示两个黑洞的合并和随向内螺旋朝向外涟漪的引力波的描画。LIGO/T. PYLE.

    与美国宇航局的韦伯太空望远镜不同，基于地面的大型引力波探测器永远不要去产生漂亮的图片。但引力波的探测------空时本身的扰动------是在宇宙时间上来追踪大质量恒星黑洞和潜在的甚至大质量星系合并为数少的方法之一。

    这些恒星质量的黑洞不是被认为在大多数宏大螺旋星系如我们自己的银河系的中心的超大质量黑洞。而相反它们是源自宇宙中最大质量、短寿命的恒星的恒星质量黑洞。罕见的质量约为我们太阳二十倍的O型恒星在经历一个所谓的核坍塌超新星后以黑洞结束它们的生命。

    如果两个这样的黑洞环绕彼此并最终合并，基于地面引力波探测器能有时甚至在很远的宇宙距离上定下它们。

    法国尼斯天文台的引力波天文学家阿斯特丽德·兰伯特（Astrid Lamberts）在她的办公室里告诉我，我们正在思考用大质量黑洞的合并作为远更大的东西像星系的合并的示踪剂。

    爱因斯坦的广义相对论预测，任何加速的质量会产生这些空时涟漪，非正式的被称为引力波。但问题是检测它们。

    然而，在刚刚接受发表在《天文学与天体物理学》杂志上的一篇论文中，主要作者、法国蔚蓝海岸天文台的博士生特里斯坦·布鲁尔（Tristan Bruel）和该论文的合著者之一兰伯特（Lamberts）指出，星系的重大合并出现来推动大质量星系团的形成，这反过来造成合并的双黑洞的形成。

    兰伯特说，天文学家已经将最大质量的黑洞双星合并与恒星形成的极端案例联系起来，这当两个像我们自己的银河系一样的星系合并时发生，他是基于地面激光干涉仪引力波天文台-处女座天文台-神冈引力波天文台（LIGO-Virgo-KAGRA）合作的科学团队成员。激光干涉仪引力波天文台-处女座天文台-神冈引力波天文台是一个长期运行基于地面位于欧洲、美国和日本的地面引力波探测器的国际合作项目。

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    兰伯特说，我们一直在使用这些星系的碰撞的仿真来意识到大质量星系的合并导致强烈的恒星形成和大质量星团的形成。她说，在这些大质量的星系团中，你能有这么许多随机配对的黑洞，因此两个黑洞一起合并，然后再次与其他黑洞合并。

    甚至如此，兰伯特说该团队并不期望从我们自己的银河系来探测任何这样的黑洞合并。她告诉我，我们会必须极端的幸运来探测在银河系中发生像这一样的事情。

至于对实际的天文应用呢？

    兰伯特说，这可被用来确定特定的星系。数十亿光年之外。

    该合作一直在探测黑洞合并。但他们被其中一些黑洞出现质量如此之大多达太阳质量的80倍困惑。

    兰伯特说，我们认为它们可能是我们叫的黑洞的“第二代”合并。她说，那个确实再做一个第二次或第三次，这两个东西能再次合并，弄成一个真的大质量的黑洞。

意大利的处女座引力波探测器的一条3公里长的隧道。© CYRIL FRESILLON / VIRGO / CNRS PHOTOTHÈQUE

这如何被测量呢？

    当一个引力波通过探测器时，它在空时中创造微小的扰动，这字面上改变探测器的两个测试质量天体之间的距离。这个扰动被沿着探测器的垂直臂光变化的模式发信。

    兰伯特说，如果光模式变化，我们知道距离已经变化了。

这如何工作呢？

    兰伯特说，一旦你有一个黑洞，不会发生太多，它仅与它周围的任何东西引力上相互作用。她说，但如果你有星系团，你能在一个相当小的体积内有数百万颗恒星和黑洞。

    兰伯特说，如果你有两个彼此刚好在合适距离的黑洞，它们会环绕彼此并射出引力波。她说，通过发射波它们丧失一点能量。兰伯特说，因此这把它们带的更近一点，它们离得越近，它们产生的引力波就越多，这反过来又使它们离得更近。

至于这些黑洞合并要用多长时间呢？

    兰伯特说，两个大质量的有一个仅一天的轨道周期的黑洞彼此环绕可能在这个阶段持续数百万年。她说，如果你用一个小时周期，它可能要在这个阶段花费10万年。兰伯特说，以仅一秒钟的一个轨道周期，在它合并之前只是几分钟的事情。

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    我（Bruce Dorminey）是一名科学记者，也是《宇宙争议(brucedorminey.podbean.com)》的主持人以及《遥远的流浪者"Distant Wanderers:》的作者：..

https://www.forbes.com/sites/brucedorminey/2024/03/11/how-astronomers-track-black-hole-mergers-over-cosmic-time/?sh=7cd640e14f9f