引力波為黑洞提供一个“宇宙 DNA 測試”

By Robert Lea

 published 24 minutes ago

  Black Holes

    黑洞的尺寸和自旋能揭示它們如何被形成和它們被诞生的地方。

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 在一个超大質量黑洞邊界內正在合併的黑洞的描画。(Image credit: Robert Lea (created with Canva))

    你能從人類的一般特徵告诉很多關於一个人類存在物祖先的。一个孩子能有他们的爸爸的眼睛、他们的媽媽的微笑或甚至可能是他们的爺爺的男性禿头性（謝謝，爺爺）。然而，黑洞幾乎沒有定義的特徵——正如理論物理學家約翰·惠勒 （John Wheeler）說它的一样，“黑洞沒有頭髮”（远更像你的謙遜作者）。當然，不过基于身體特徵測試一个孩子的親子關係是太主觀的——這典型的是DNA測試进来的地方。這種測試能提供一種远更科學的檢查一個人的血統的方法，新的研究提示對黑洞一个類似的祖先测试。

    然而，不是依靠一个臉頰拭子或一点点血液，而是這些宇宙 DNA 測試利用在空時织造中被阿爾伯特·愛因斯坦在 110 年前首次提出叫引力波的微小漣漪。

    由卡迪夫大學研究人員領導的一個科學家團隊已经發現从一个逐漸更大的祖先黑洞的合併鏈形成的超大品質黑洞的祖先可能被隱藏在它們的旋轉或“自旋”中。

    此外，該團隊的方法提示這些黑洞的自旋模式可以揭示其中它們被誕生的太空區域。甚至人類DNA測試不能告訴你一个嬰兒被在什么醫院分娩！

    就像被激光干涉仪引力波天文臺 （LIGO） 和室女座天文臺一样設施檢測到的引力波可被用来「阅读」這个信息就像写在一个出生證明上一樣。
    團隊成員、劍橋大學研究員伊索貝爾·羅梅羅-肖（Isobel Romero-Shaw）在一份聲明中說，“我們的研究给我們一種強大的、數據驅動的來识别一个黑洞的形成歷史的起源方法，表明它自旋的方式是一个它屬於一組高質量黑洞的强指示器，這些黑洞在密集的星團群中形成，在那里小黑洞反覆的碰撞并与彼此合併”。

黑洞家譜

    对科學家們當他们發現一些黑洞只是質量太大不能被以通常经由一个垂死的恒星方式滋生時黑洞祖先变成一個好奇的問題。

    質量在太陽 10 到 100 倍之間的恆星質量黑洞当比太陽远更大質量的恆星耗盡它们核中核聚變所需的燃料時被誕生。隨後，這些恆星在它们自己的引力下坍塌。

    然而，超大質量黑洞有相當於數百萬个甚至數十億個太陽的質量。沒有一顆单一的恆星能坍塌来形成如此一个巨大的黑洞，导致它們从更小的黑洞合併形成的理論。
    2015年，在愛因斯坦当时在他的被稱為廣義相對論引力理論中預測了已經過去了 100 年后由激光干涉仪引力波天文臺和室女座做出的首次探測到来自合併黑洞的引力波，這个和由這些機構此後已经聽到的大量合併帮助了證實這種“由合併成長”的理論。

藝術家的兩個黑洞在合併前彼此环绕的概念。 (Image credit: NASA)

    广义相对论預測，當有质量天體造成空時的织造翘曲時引力从这个翘曲发生。

    爱因斯坦还预测当天体在空时中加速时這造成漣漪以光速向外輻射。然而這些所謂的引力波仅当所涉及的天體真的是大質量是可檢測到的——而黑洞符合这个单子。黑洞的合併被内在的聯繫到引力波的發射。

    一旦黑洞靠得足夠近，随它们围绕彼此涡旋来形成一個雙时這種恆定的加速度（加速度是速度和方向中的變化，因此圓周運動代表永恆的加速度）设定空時的织造以引力波響鈴。當這些雙星系統發射引力波時空時中的這些漣漪帶走角動量。這造成双收緊。換句話說黑洞移动一起更近。

    這造成雙黑洞越來越快或頻率越來越高發射引力波，這意味著它們越來越近。這種情況继续直到這些黑洞的相互引力接管，它們被迫在一起，碰撞和合併。這个合併创造一個比它的母黑洞質量更大但由於一个引力波的高頻“尖叫”中的質量損失質量並不完全是它們的質量的子黑洞。

雙黑洞用像一个鐘一樣響铃空時的引力波的描画。(Image credit: ESA–C.Carreau)

    卡迪夫大學物理與天文學院的團隊負責人法比奧·安東尼尼 （Fabio Antonini） 在聲明中說，“隨著我們用激光干涉仪引力波天文臺和处女座等引力波探測器觀测更多的黑洞合併，黑洞展示多样的質量和自旋变得越发更明顯，提示它們可能已经以不同的方式形成，然而，识别這些形成场景中哪一種最常見一直是挑戰的”。

    為解開這個秘密，該團隊观察了 由激光干涉仪引力波天文臺和 处女座关注的 69 次引力波事件的數據。

    他們發現了的是當黑洞達到一定質量時一个黑洞的自旋變化。這代表一個明確的質量閾值，在該閾值上黑洞的自旋恒定的變化。該團隊發現的模式相吻合提示黑洞是通過载密集星團中重複碰撞生長的模型。

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    利用這些發現，科學家現在能改進用来仿真黑洞的形成和生長的計算機建模技術。

    當由激光干涉仪引力波天文臺、室女座、擬議中的地下引力波天文臺（稱為愛因斯坦望遠鏡）和即將推出的天基引力波探測器激光干涉儀空間天線（LISA）等設施檢測到未來的引力波信號時，這種改進的模型能被用於更好解釋這些信號。

    團隊成員、芝加哥大學研究員湯瑪斯·卡利斯特在聲明中說，與其他研究人員合作並使用先進的統計方法將帮助確認和擴展我們的發現，尤其是随我們轉向下一代探測器 ，例如，愛因斯坦望遠鏡可以探測甚至更大質量的黑洞，併提供前所未有的它們的起源锝洞察” 。

    該團隊的研究於週二（1 月 7 日）發表在Physical Review Letters雜誌上。