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双黑洞并合引力波

作者:未知

  摘要:2015年12月,通過LIGO探测器,LIGO-VIRGO首次观测到了来自于两个黑洞合并的引力波信号。2017年4月由全球8部EHT共同观测而成的人类首张黑洞“照片”,经历两年的数据整理在4月10日晚面世。这对爱因斯坦的广义相对论给予了进一步的支持。本文就宇宙中双黑洞的探测与相关理论进行简述,就引力波的产生机制进行一定的讨论。
  关键词:双黑洞;大质量黑洞;引力波
  引言
  广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的关于描述引力的几何理论,其在目前作为牛顿引力理论的推广,在天文学与天体物理学领域的研究中有着重要的作用。目前,随着引力红移及引力时间延迟实验、引力波的探测、黑洞“照片”的面世等,广义相对论的理论预言得到了相应的验证与实验支持。广义相对论对黑洞的存在进行了预言,在奇性定理中,存在奇点于黑洞内部。黑洞在宇宙中是一种特殊的存在形式,由大质量恒星坍塌而成,其质量约太阳的65亿倍。本次黑洞“照片”的问世,能够帮助天文及天体物理领域的相关学者通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量。而针对于宇宙中的双黑洞系统观测难度较高,由于双黑洞系统距离较远使得很难从宇宙中将这些双黑洞系统分辨出来。
  1 黑洞与引力波
  1916年,德国卡尔通过求解爱因斯坦引力场方程,分析得到如果将空间中某一点点进行物质的高集中,即使得这一点具有极大的质量,则在这个点的周围会存在一个界面,即视界。在视界之内,光也无法从中逃脱。而后,不少物理学家对此进行猜想与研究,而具有这种奇异的性质的天体被命名为黑洞。需要尤其注意的是,黑洞并不是可以直接观测得到的,其存在一般由间接的形式来进行推断以及质量的计算。其主要的特点就是密度无限大即,质量极其高而体积极其小,根据爱因斯坦的广义相对论可以得到,恒星坍缩后聚为黑洞,而这个黑洞将会使得附近所有光线以及物质(信息)被吞噬。
  引力波是时空弯曲中如同将一粒石子扔向湖面的“涟漪”,其是广义相对论中洛仑兹不变性的结果。当宇宙中两个致密星体碰撞并合时可产生引力波,其通过波的形式从辐射源向外进行传播。2016年LIGO合作组织及Virgo合作团队宣称探测到来自双黑洞合并的引力波信号。引力波描述的是时空曲率的振动在时空中的传播,在广义相对论中,时空曲率是用来描述引力物理量。根据广义相对论的理论支持,对于黑洞被事件视界包围的区域对于引力波而言,事件视界提供的是一个只进不出的边界条件,即在双黑洞合并之后,引力波将会迅速的衰减。
  2 双黑洞存在的直接与间接证据
  宇宙中的双黑洞系统一般可以根据距离大概分为四类:分别为星系团中的类星体对、相互作用活动星队、“单个”星系中超大质量黑洞对以及空间不可分辨的双超大质量黑洞后选体。最后一类虽然在空间距离上难以分辨,但是可以根据双星的轨道运动所导致的X射线等出现的周期性或准周期性进行判断。对于宇宙中可空间分辨的双黑洞系统,通过对尘埃温度以及CO分子测量等可以得到较高分辨率的图像以及各成分的相应的谱能量分布,例如对于HXMM01极亮亚毫米星系的测量,并通过拟合发现两个并合星系的质量分布,但HXMM01只是相互作用星系的典型代表,并不是一个处于引力束缚态的双黑洞系统。但宇宙中大量的相互作用的星系,为双黑洞星系的存在提供了相应的支持。2001年哈勃望远镜对于LBQS 0103-2573进行紫外谱观测,并发现沿着潮汐弧及存在恒星形成的区双活动星系中都存在着宽发射线。随后,NGC 6240星爆星系通过钱德拉X射线望远镜的观测,被发现星系中心存在着X射线核,这表明了两个超大质量黑洞的吸积。而VLBI观测并最终确定发现射电星系0402+379/4C+37.11的中心两个致密的成分是两个超大质量黑洞。
  而对于目前观测双黑洞的间接证据主要通过双黑洞进动对于星系核的形态的影响、准周期性光变、谱线双峰结构等进行间接观测。
  3 LIGO探测器及探测结果
  LIGO作为世界上最大的引力波探测器,它同时也是最精密的物理装置之一。其主要由两个干涉仪组成,每一个都带有四千米长的臂,无论在光学方面还是在机械方面,其技术特点都是相当先进的。在远离方面,其主要就是通过光与空间本身的物理性质进行引力波的探测。两条相互垂直的干涉臂在引力波的探测中起着至关重要的作用。引力波的经过会使得时空的伸缩让两个臂长长度出现变化,此时,两条分别在两臂的激光束相位出现差而产生了干涉条纹,LIGO想要测出如此之小的变化则需要极高的灵敏度。同时,在对引力波进行探测中,环境对于探测的影响需要被考虑,探测器需要区分引力波源的信号和来自仪器噪声的信号,而两个高新LIGO探测器的设置便是为了能够确定引力波信号而不是环境带来的干扰信号。,同时通过对于激光功率的提高、循环腔的再设计等等对仪器的灵敏度进行进一步提升。
  2016年升级后的美国激光干涉引力波天文台宣称首次探测到引力波,同时推测探测到的引力波源GW150914是位于红移z=0.09+0.04-0.03处的两个黑洞的合并,其中得到的数据结果与根据广义相对论原理构建的双黑洞合并释放引力波波形模式有着很高程度的吻合,这一发现进一步对广义相对论提供了实践的支持。
  4 展望
  随着对于黑洞的不断探测、探测结果的不断涌现,在2016年直接探测到引力波载入史册后而今的黑洞“照片”的又一次问世,都表明着天文及天体物理领域中黑洞在逐渐地从神秘走进我们。但是在许多探测数据中,我们仍然能够发现其中细节方面的此测量等存在提升的空间,而这一空间也需要技术与理论的进步来推动。未知天体的探测总是让人期待,而引力波天文学的时代已经开始。
  参考文献
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