天文学家认为这次黑洞碰撞可能是用光爆炸的。

2020-06-25 22:16:22

黑洞最具决定性的特征之一是,一旦它穿过视界,任何东西都无法逃脱--即使是光也不能逃脱。因此,当两个黑洞碰撞并合并时,人们会认为情况也是如此。但一些天文学家假设,在一些不寻常的情况下,这样的合并可能会产生伴随的光爆炸。根据“物理评论快报”的一篇新论文,通过将引力波数据与机器人巡天期间收集的数据相结合,一个团队认为他们发现了这种现象的第一个证据。

LIGO通过激光干涉术探测引力波,使用高功率激光测量相距几公里的两个物体之间距离的微小变化。(LIGO在华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿都有探测器。意大利的第三个探测器高级处女座(Advanced Virgo)于2016年上线。)。2015年9月14日,美国东部时间上午5点51分,两个探测器首次在毫秒内接收到信号-这是两个黑洞相互螺旋状向内旋转并合并成大规模碰撞事件的直接证据,这一事件在时空中发出了强大的冲击波。

从第一次运行中,合作又获得了两个黑洞合并。从2016年11月30日到2017年8月25日,第二次黑洞合并又产生了7次双星合并(包括刚刚宣布的4次合并)和1次双星合并,并得到了同时的伽马射线爆发和其他电磁光谱信号的支持。这是对光与声结合的重大天体事件的史无前例的记录,并正式标志着所谓的多信使天文学的诞生。这是一次史无前例的记录,将光与声结合在一起,正式标志着所谓的多信使天文学的诞生。这是一次史无前例的记录,它将光与声结合在一起,并正式标志着所谓的多信使天文学的诞生。在同时发生的伽马射线爆发和其他电磁光谱信号的支持下,这是一次前所未有的记录。

2018年12月,合作小组报告了四次此前未宣布的第二轮探测到的来自合并黑洞的引力波,其中包括大约50亿年前迄今已知的最大规模的黑洞碰撞。LIGO/Virgo于2019年4月1日开始第三次运行,一个月内又探测到了五个引力波事件:三个来自合并的黑洞,一个来自中子星合并,另一个可能是中子星-黑洞合并的第一个实例。(对于LIGO的铁杆粉丝来说,现在有一款iPhone应用程序可以让你关注活动公告,Android版本正在开发中)。

自2017年千年大爆炸以来,每当LIGO/处女座接收到中子星合并或可能的中子星-黑洞合并的引力波信号时,天文学家们就争先恐后地寻找相应的光学信号。但是假设黑洞和黑洞的合并不会产生任何光学信号,所以寻找一个也没有意义。这篇新论文的合著者、加州理工学院的天文学家马修·格雷厄姆(Matthew Graham)是去年提出替代模型的天文学家之一,他预测,在特定的条件和特定的环境下,这种融合会发出强烈耀斑形式的光学信号。

这就是这篇论文的意义所在:格雷厄姆等人。已经找到了第一个可能的证据,证明他们的模型可能是正确的。在这种情况下,它与LIGO在2019年5月21日发现的双星黑洞合并有关(指定为S190521g)。这个双星系统可能是在星系中心一个超大质量黑洞周围的吸积盘中形成的。

合著者纽约市立大学研究生中心的K.E.Saavik Ford将吸积盘比作一群恒星和死星-包括黑洞。她说:“这些东西就像愤怒的蜜蜂一样聚集在中心那只可怕的蜂后周围。”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。当双星对最终合并时,它们形成的新的、更大的黑洞受到强大的一击,穿过吸积盘中的气体,吸积盘中的气体通过产生天文学家可以用望远镜捕捉到的明亮耀斑而发生反应。

格雷厄姆告诉“每日镜报”说,虽然天文学家为其他类型的合并寻找光学信号的速度通常会很快,但当LIGO/处女座报告黑洞-黑洞合并的事件时,视觉球状耀斑的形成需要时间。我们可以等几天或几周,然后才能真正看到这一点,所以这是一个非常不同的后续战略。

格雷厄姆和他的合著者开始使用兹维基瞬变设施(ZTF)在夜空中搜寻这种光学特征的证据。ZTF是一台机器人相机,安装在加利福尼亚州圣地亚哥县帕洛玛天文台(Palomar Observatory)有70年历史的塞缪尔·奥辛望远镜(Samuel Oschin)上。ZTF对夜空进行机器人测量,寻找爆发或亮度变化的物体:例如,超新星、被黑洞咀嚼的恒星,以及小行星和彗星。它在三个晚上扫描整个天空和银河系的可见平面两次-即使在冠状病毒关闭期间也是如此。

在LIGO于5月21日检测到病毒后的几天和几周内收集的数据中就潜伏着这样的信号,在接下来的一个月里减缓了褪色的速度。根据格雷厄姆的说法,这个超大质量的黑洞大约有1亿个太阳质量,大约相当于地球轨道的大小。合并的双星黑洞大约有50个太阳质量,类似于曼哈顿或长岛的大小。至于送到这个新的、更大的黑洞的冲击力,它的时速约为50万英里。格雷厄姆说,这些都是重要的能量系统。

格雷厄姆说,耀斑在正确的时间尺度上,在正确的位置,与引力波事件重合,尽管他承认耀斑仍然有可能是由不同于双星黑洞合并的东西产生的。也有充分的理由排除最明显的替代候选人。

格雷厄姆说,例如,除了超大质量黑洞质量太大,而且看起来不对劲之外,它可能是一次潮汐破坏事件。他说,虽然能量对于超新星来说是正确的,但时间演化是错误的,形状看起来也不是特别正确。一种不太可能的可能性是,闪光起源于嵌入在类星体吸积盘中的超新星,这是以前从未观察到的-因此,天文学家本身就会非常感兴趣。

当然,这种现象的发生需要恰到好处的条件。根据格雷厄姆的说法,尽管合并的双星黑洞与附近的超大质量黑洞相比很小,但它们仍然相当大。恒星质量为50的区域中的黑洞通常不是由超新星爆炸产生的。更有可能的是,每个黑洞开始时都是一个较小的黑洞,在彼此配对之前与另一个黑洞合并。格雷厄姆说,这种等级合并模式只能在宇宙中几个首选的地方发生。你需要一个很深的引力井,这就是超大质量黑洞给你的。这是发生等级合并的完美环境。

格雷厄姆认为,在一个超大质量黑洞的吸积盘中,可能会有更多这样的双星黑洞合并发生。这意味着可能存在与这些事件相关的更强大的耀斑,他估计天文学家可能能够发现25%到50%的耀斑,这取决于它们的方位。如果这个新模型是正确的,在更广泛的多信使天文学背景下,寻找这种类型的光学特征可能会成为一种新的观测策略。

Graham et al.。目前正在对他们的数据进行系统搜索,这些数据与到目前为止从协作的第三次运行中检测到的所有LIGO事件一致,希望能找到更多。这个新形成的黑洞在未来几年的某个时候,当它再次进入超大质量黑洞的吸积盘时,应该会产生另一场能量耀斑,