【博科園-科學(xué)科普】2015年9月14日清晨LIGO奇跡般地成為一個(gè)巨大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)者。這是有史以來第一次觀測到“引力波”，一個(gè)世紀(jì)前由阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)測的時(shí)空結(jié)構(gòu)的微小波紋。這個(gè)信號來自于兩個(gè)黑洞合并超過10億光年，并在那天早上到達(dá)我們的星球。
LIGO 圖片：Kanijoman/Flickr, CC BY-SA
這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了一個(gè)全新的天文學(xué)時(shí)代，接著又有兩種檢測結(jié)果(可能是第三種)，所有這些都來自于對黑洞的合并。這些測量已經(jīng)開始幫助科學(xué)家解開宇宙中最保守的秘密。新研究發(fā)表在《自然》雜志上(“用引力波區(qū)分自旋和各向同性黑洞的數(shù)量”)，顯示出我們是多么接近于計(jì)算出黑洞如何形成。
由LIGO研究的黑洞——每一個(gè)都在太陽質(zhì)量的10到30倍之間以光速的一半的速度運(yùn)動時(shí)發(fā)生碰撞，同時(shí)也會扭曲空間和時(shí)間。兩個(gè)黑洞的合并比可見宇宙中所有恒星的結(jié)合釋放出的能量更大。
然而當(dāng)時(shí)空扭曲，以光速飛行超過10億年，到達(dá)地球時(shí)漣漪確實(shí)非常微弱——它的伸展和擠壓空間不到1個(gè)部分。這意味著在LIGO探測器中制造的鏡子的尺寸小于原子核的千分之一。難怪引力波如此難以探測。
黑洞不完整的科學(xué)
黑洞是大質(zhì)量恒星的無限密集殘余。研究它們?yōu)樘祗w物理學(xué)家提供了一窺這些恒星的生命。第一個(gè)引力波檢測的關(guān)鍵問題之一是：這些重黑洞是如何接近合并的？
揭開黑洞形成過程的歷史是很重要的——它可以幫助我們了解在稠密的恒星環(huán)境中，巨大的恒星和相互作用的神秘老化，到目前為止已經(jīng)提出了兩種不同的場景。
第一個(gè)觀點(diǎn)認(rèn)為兩個(gè)大質(zhì)量恒星是天生一對。它們之間的相互作用可能是在月球升起海洋潮汐的方式上，在彼此的表面上起作用?；蛘咚麄兛赡芙粨Q了氣體，其中一顆恒星將物質(zhì)吹向太空，另一顆星則捕獲了其中的一部分。
最終每顆恒星都坍塌成一個(gè)黑洞。如果黑洞足夠接近那么它們以引力波的形式從軌道上逐漸失去能量將導(dǎo)致兩個(gè)黑洞螺旋上升并最終合并。這種情況被稱為孤立的雙黑洞系統(tǒng)演化。
另一個(gè)選擇是兩個(gè)黑洞是獨(dú)立形成的，但在一個(gè)環(huán)境中有很多恒星緊密地聚集在一起。在這個(gè)被稱為動力形成的場景中，一個(gè)與其他恒星的引力相互作用的序列可以使兩個(gè)黑洞相互環(huán)繞。
由兩個(gè)黑洞合并而產(chǎn)生的引力波的數(shù)值模擬，包括自旋(綠箭頭)。圖片：NASA/wikipedia
我們還不知道哪種情景是正確的，但大自然提供了一個(gè)令人興奮的暗示，黑洞繞著自己的軸旋轉(zhuǎn)。從一些觀測中知道，在我們的星系和它的鄰近星系中圍繞黑洞運(yùn)行的恒星，有時(shí)黑洞似乎正在快速旋轉(zhuǎn)。如果LIGO看到的黑洞是由已經(jīng)相互環(huán)繞的恒星形成的，那么這些自旋應(yīng)該與軌道保持一致。但是如果由其他幾顆恒星的引力影響形成的黑洞，旋轉(zhuǎn)將是隨機(jī)的相對于軌道，這意味著在一個(gè)稠密的環(huán)境中獨(dú)立形成。
在一篇新的論文中來自英國伯明翰大學(xué)和美國馬里蘭大學(xué)和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)分析了LIGO探測到的合并黑洞的旋轉(zhuǎn)和軌道的排列。結(jié)果表明測量的引力波相位受到黑洞旋轉(zhuǎn)的影響。因此這種自旋的某些成分——即有效的自旋——在數(shù)據(jù)中是固定的。
如果這個(gè)有效的旋轉(zhuǎn)是大而積極的，黑洞就會快速旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)與軌道相同的方向。如果它是大的和負(fù)的，黑洞就會在軌道上快速反向旋轉(zhuǎn)。如果它接近于零，那么要么黑洞的自旋與軌道發(fā)生了明顯的偏離，要么兩個(gè)黑洞都在緩慢地旋轉(zhuǎn)。
到目前為止關(guān)于合并黑洞的LIGO觀察發(fā)現(xiàn)，有效的自旋與零一致，只有一個(gè)觀察。因此得出的結(jié)論是：如果黑洞快速旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)就會指向缺乏對準(zhǔn)——而黑洞并非來自成對的恒星。這確實(shí)很有可能是黑洞可以快速旋轉(zhuǎn)——我們星系的觀測結(jié)果表明事實(shí)是這樣的。
只有10個(gè)額外的探測就有可能確定黑洞對的來源。然而合并黑洞有可能對我們在銀河系中觀察到的黑洞有著不同的進(jìn)化史，而且是緩慢旋轉(zhuǎn)的。如果是這樣就需要更多的觀察。不管怎樣這項(xiàng)研究表明了引力波的發(fā)現(xiàn)有多么重要——打開了一個(gè)全新的宇宙之窗。
參考：Nanowerk News
