解码引力波信号 “弦外之音”验证黑洞“无毛”形象

解码引力波信号 “弦外之音”验证黑洞“无毛”形象
金 凤在世界中,能够吞噬全部光线和物质的黑洞,像一个神秘莫测的影子。百余年来,它一再被人类所“发觉”,却又总是难以了解。4年前,两个黑洞兼并发生的引力波信号被捕捉到,科学家将引力波转化成声波,人类开端“听”到黑洞。5个月前,全球多地天文学家同步发布首张黑洞真容,人类总算“看”到了黑洞。近来,人类再次破译黑洞暗码。科研人员在《物理谈论快报》刊文称他们“听懂”了一个重生黑洞的“声响”。并发现经过剖析这种“发声”形式的特征,能够得到黑洞的质量和自旋。这一成果,与用其他办法剖析黑洞兼并发生的引力波信号得到的重生黑洞的质量和自旋共同,从而证明了爱因斯坦广义相对论是正确的,黑洞作为“秃顶伟人”的无毛定理,也被验证。“钟响”中包括黑洞特点100多年前,爱因斯坦的广义相对论曾预言,假如两个黑洞在世界中磕碰,会兼并发生一个新的黑洞,其诞生后的“振荡”,即引力波,就像被碰击的钟相同,发生反向声波向外传达。可是,100多年过去了,重生黑洞及其发生的引力波仍然是个疑团,迟迟未被人类窥视。2015年9月14日,科学家用美国激光干与引力波天文台(LIGO)初次勘探到,在13亿光年外,两个黑洞彼此绕转、歪曲地交融在一起,辐射出携带着黑洞的质量和自旋信息的引力波。这个事情被命名为GW150914。当科学家们消除勘探器噪音并扩大引力波信号后,他们调查到了一个波形,该波形在衰减之前会敏捷增强。当他们把这个信号转换成声响时,听到了相似“唧唧”的声响。“引力波宣布的‘唧唧’的声响是一种形象的比如,它的波形和声波很相似。”中科院紫金山天文台世界高能粒子加快和辐射研讨团组首席科学家刘四明承受科技日报记者采访时说。在这次勘探中,科学家们确认,引力波是由两个巨大黑洞的兼并触发的。信号的峰值、“唧唧”声中最嘹亮的部分,便是两个黑洞磕碰、兼并成一个新黑洞的时间。在随后的四年间,科学家们常常勘探到引力波事情,但却一向未能从中解码黑洞的特点。刘四明打了个比如,“两个黑洞兼并后生成的新黑洞发生的引力波,就像敲钟后的尾音,钟刚刚敲响时的声响最大,然后逐步衰减。而尾音的频率与钟的巨细有关,经过对声响的剖析,就能够反推钟的质量、原料等。层层涟漪具有不同震动频率尽管重生黑洞很可能发生了它自己的引力波,但科学家们以为,在两个黑洞开始磕碰的喧闹声中,它的信号“声响”太弱小,无法解读。可是,研讨团队找到了一种新的办法,能够在信号抵达峰值后的瞬间提取出黑洞的“声响”。研讨小组经过数据模仿,发现当信号抵达峰值后,还存在着一种“言外之意”——一组嘹亮而时间短的“声响”。当他们将这种“言外之意”归入考量,从头剖析信号数据后,发现他们能够成功地分离出来一种新的“声响”形式,一种重生黑洞宣布的“声响”。研讨人员将这种新技术应用于对GW150914的实践观测数据,剖析标明,信号峰值后的几毫秒里,至少存在一种频率更低、衰减更快的“言外之意”,并确认了两种不同的“声响”形式,每一种“腔调”和衰减数据都来源于重生黑洞。经过数值模仿,科学家们核算出了引力波的演化过程,从而确认了黑洞的质量和自旋。科学家们还运用信号峰值之后的“声响”特征,确认了重生黑洞的质量和自旋。“咱们检测到由多个频率组成的全体引力波信号,这些信号以不同的速率逐步消失,就像构成声响的不同音高相同。”该论文的榜首作者、美国麻省理工学院的研讨人员伊西表明,“每个频率或腔调都对应于新黑洞的振荡频率。”黑洞为何会宣布不同振荡频率的引力波?南京航空航天大学副教授李晋斌介绍,黑洞兼并初期发生的引力波,就像向湖中投出一枚石子,石子的震动在湖面构成不同的涟漪,不同的涟漪有不同的振荡频率,开始的震动最剧烈也最快,此刻传递的能量也最大。“此前科学家关于黑洞较安静时的研讨较多,关于其兼并初期的研讨较少,部分原因是曾经科学家以为强引力波的振荡是来自于许多非线性的形式混合,难以剖析、提取,但此次的研讨中,‘声响’其实是线性叠加,能够把不同的振荡频率分隔研讨。”李晋斌说。“腔调”和衰减证明无毛定理在爱因斯坦看来,一个具有必定质量和自旋的黑洞,只能发生特定的“腔调”和衰减。在此次研讨中,科学家们运用广义相对论方程,核算了衰减的引力波信号和重生黑洞质量和自旋之间的联系。经过对观测数据比较,由两个黑洞兼并后构成的新黑洞,分量约为68.5个太阳质量。这一成果,与运用完好的引力波信号得到的重生黑洞的质量和自旋数据共同,也验证了黑洞的“无毛”定理。美国闻名物理学家约翰·惠勒曾预言,黑洞只要三种可调查的特性,即质量、自旋和电荷。构成黑洞的天体,它们的“毛发”,即其他特征,都应该被黑洞吞噬。可是,黑洞是否有“毛发”,学者们现已争辩了几十年。爱因斯坦也提出了一种办法来查验这一理论,当两个黑洞磕碰并构成一个新的黑洞时,发生的引力波在时空中引起涟漪,关于重生黑洞的质量和自旋特点应该编码在其引力波的一些“腔调”中。此次宣布的论文,支撑了黑洞“无毛”定理,并给出了黑洞的“发声”形式。这些核算成果与之前其他人对黑洞质量和自旋的丈量成果相吻合。“假如科学家的核算成果与丈量成果有显着误差,就意味着黑洞发生引力波的形式并不只是依赖于质量、自旋和电荷,也就证明广义相对论预言的黑洞‘无毛’定理是错的。但恰恰相反,此次研讨证明了运用引力波的特定频率和衰减率能够测算出黑洞的质量和自旋。”刘四明说。不过,李晋斌以为,尽管这是榜首个直接验证“无毛”定理的试验丈量,但受制于现在的观测、剖析东西和剖析才能,并不意味就此证明了一切黑洞都没有“毛发”。刘四明以为,假如存在量子效应,爱因斯坦的理论可能会不行精确。正如牛顿的引力理论在企图描绘兼并黑洞时彻底不适用。可是,跟着LIGO分辨率的进步以及未来更活络的仪器上线,研讨人员将能够运用这个办法“听到”更多其他重生黑洞的“声响”。“未来,咱们将在地球和太空中具有更好的勘探器,而且不只能够看到两个,还能够看到数十种形式,并精确地丈量出它们的特点。”伊西说,“假如这些不是黑洞,假如它们是像虫洞或玻色子星更独特的物体,它们可能会以不同的方法响起,咱们将有时机‘听到’它们。”

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