两个黑洞相撞还不够吗?我要三个。

2020-07-13 14:15:35

在周四的一份公告中,天文学家描述了检测到的一个认识论奇迹:看不见的物体-黑洞-的无形碰撞变得短暂可见。故事是这样的:

很久很久以前,大约40亿年前的现在,在一个遥远的星系里,一对黑洞相撞。通常情况下,这样的事件不会留下任何可见的痕迹,只有时空引力波的颤抖和一个更大的黑洞。(黑洞不发光。)。

但这些黑洞是环绕着第三个巨大黑洞的恒星、气体和尘埃漩涡的一部分,第三个巨大的黑洞是一个比太阳质量1亿倍的超大质量黑洞。结果,合并的两颗行星产生了热光冲击波,使得碰撞既能被看到,也能被听到。

这是由加州理工学院的马修·格雷厄姆(Matthew Graham)领导的一组天文学家对他们去年记录到的一道奇怪的闪光做出的解释。他们的结论于周四公布,发表在“物理评论快报”上的一篇论文中。

如果结果成立,这将标志着碰撞的黑洞第一次产生光和引力波。格雷厄姆博士说,“我们已经看到了来自宇宙中以前看不见的部分的可见信号。”

“这意味着我们可以同时看到和听到它们,”美国自然历史博物馆(American Museum Of Natural History)和纽约城市大学(City University Of New York)的K·E·萨维克·福特(K.E.Saavik Ford)在谈到黑洞时说。他也是这项新研究的作者之一。她称整个活动“非常令人兴奋”。

研究人员说,这项工作可能会带来对黑洞如何、何时、何地合并成更大的怪物的新见解,这些怪物重达数百万或数十亿个太阳,并主导着星系的中心。它还可以阐明火焰和愤怒的爆裂旋转栅门内的条件,物质通过这些旋转栅门走向黑洞末日。

两个黑洞在另一个黑洞旋转的时候相撞?“天体物理学可能没有比这更令人兴奋的了。”格雷厄姆医生说。

黑洞是阿尔伯特·爱因斯坦预言的密度极高的物体,甚至连光都无法逃脱。天文学家所知道的大多数黑洞都是大质量恒星的身体,这些恒星已经死亡并灾难性地坍塌为零;暗残骸的质量是太阳的几倍。但是星系拥有比这个大几百万甚至几十亿的黑洞。黑洞是如何变得如此之大,这是天文学中一个永恒的谜团。

2016年,科学家们首次使用位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到两个遥远的黑洞的碰撞。LIGO是位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的一对L型天线。从那时起,LIGO和第三个天线,位于意大利的处女座,一起在黑暗中绘制了数十个类似的灾难性婚姻。但是天文学家们还没有看到它们发出的任何光的痕迹。(一个例外是中子星的碰撞,这是超新星爆炸的残余物,照亮了宇宙,并于2017年8月被探测到)。

2019年5月21日,向世界天文学家发出警报,LIGO和处女座的天线记录到了看起来像是两个黑洞碰撞的东西。当晚值班的望远镜中有兹维基瞬变设施(Zwicky Temporent Facility),这是加利福尼亚州帕洛马山(Palomar Mountain)上的一台机器人仪器,它监测深空中任何耀斑、眨眼、爆炸或移动的东西。它是以弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)的名字命名的,他是一位在加州理工大学工作的创新而古怪的瑞士天文学家。

兹维基望远镜的项目科学家格雷厄姆博士和他的同事们一直在考虑这样一种可能性,即黑洞合并可能发生在超大质量黑洞的致密、闪闪发光的吸积盘中,而超大质量黑洞是类星体的中心引擎。研究小组开始监测这些地区的类星体是否有异常活动。

5月份引力波事件的踪迹导致了一颗名为J124942.3+344929的类星体,距离地球约40光年。在检查兹维基望远镜的记录时,格雷厄姆博士发现类星体已经爆发,亮度在大约一个月的时间里翻了一番--这是一个不同寻常的巨大波动。他说,这标志着它可能是一次黑洞碰撞。

支持这一假设的事实是,耀斑直到引力波被探测到34天后才变得可见。根据福特博士和她在美国自然历史博物馆(American Museum Of Natural History)的同事巴里·麦克南(Barry McKernan)去年在一篇论文中描述的模型,黑洞碰撞产生的任何光线都需要大约那么长的时间才能从这么厚的气体圆盘中射出。

福特博士在加州理工学院的一份新闻稿中将吸积盘描述为“一群恒星和死恒星,包括黑洞”。

她补充说,“这些物体像愤怒的蜜蜂一样聚集在中心那只巨大的蜂后周围。他们可以短暂地找到引力伴侣并配对,但通常在疯狂的舞蹈中很快就会失去伴侣。但在超大质量黑洞的圆盘中,流动的气体将蜂群的莫什坑转化为经典的小步舞,将黑洞组织起来,使它们能够配对。

她说,其结果可能是黑洞疯狂地合并和重新组合成越来越大的宇宙坟墓。她说,这可能是导致2019年5月检测到的信号的原因。

她说,这可以解释这次碰撞中的黑洞是如何变得如此之大的。从这次碰撞中出现的黑洞在吸积盘中留下了一条火热的痕迹,其质量至少是太阳的100倍。但50个太阳质量是直接由死星形成的黑洞的重量限制,这意味着去年5月相撞的两个黑洞正好达到了极限,而且可能更大。所以它们不是恒星崩塌的直接结果,她说。相反,它们可能是通过一系列规模越来越大的合并而形成的。

LIGO和处女座听到的碰撞可能只是黑洞交配连锁反应的结束。“这只是冰山一角,”福特博士说。

在格雷厄姆博士和他的团队拼凑在一起的故事中,黑洞在旋转,由此产生的后坐几乎垂直地射出了合并的结果,最终以每秒120英里的速度离开了吸积盘,这时耀斑停止了。如果解释是准确的,黑洞应该会在几个月或一年后以同样的速度落回吸积盘,产生另一次耀斑。“我们会寻找的,”格雷厄姆博士说。

位于这一切中心的超大质量黑洞大约是太阳质量的1亿倍。天文学家说,它仍然没有被周围所有的喧嚣所扰乱,但最终可能会吞噬那个较小的黑洞,从而引发这次耀斑和附近的其他一切,但不会很快发生。

与LIGO和Virgo阵列相关的科学家们还没有发表他们自己对碰撞引力波信号的分析。官方来说,这仍然是一个“候选”事件,他们拒绝对格雷厄姆博士的论文发表评论,等待他们自己的论文发表。

福特说,在此期间,她的团队有机会预测LIGO的分析将显示的情况:其中包括黑洞的总质量是100个太阳质量;这两个黑洞的自转速度很快;甚至还有由此产生的黑洞的反冲速度。

“我们试图击败他们,”福特博士说。“我们想要做一个预测。我们想把头放在砧板上,看看斧头落在哪里。“

“这太棒了,”格雷厄姆博士补充道。“这是做科学的一种更好的方式。”