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14億年前兩個遙遠的黑洞合并過程產生時空漣漪

更新時間:2023-12-15 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

這張示意圖展示的是黑洞合并過程形成的時空漣漪——引力波,其正從合并發生區域向周圍空間傳播。這次LIGO偵測到的黑洞合并風波牽扯到兩個質量分別為14倍和8倍太陽質量的黑洞,它們合并以后產生了一個質量為21倍太陽質量的新黑洞LRE物理好資源網(原物理ok網)

藝術示意圖:LIGO偵測到兩個正在合并過程中的黑洞LRE物理好資源網(原物理ok網)

LIGO早已大大降低了已知質量的黑洞數目。這一偵測器早已確鑿無疑地偵測到了兩次引力波風波,對應兩次獨立的黑洞合并風波(如圖所示,兩個較小質量的黑洞合并成為較大質量的黑洞)。在每一次風波中,LIGO都精確測定了參與風波黑洞各自的質量以及合并后黑洞的質量。圖中實線標出的是LIGO偵測到的一次疑似風波,其因為訊號太過微弱而無法得到確認LRE物理好資源網(原物理ok網)

新浪科技訊上海時間6月16日下午消息,6月16日下午1:15,正在日本舊金山出席再度舉辦的第228屆法國天文學會的LIGO科學合作組(LSC)和Virgo合作組的科學家召開新聞發布會,報告她們再度偵測到引力波訊號的消息。這是14億年前兩個遙遠的黑洞互相合并過程所形成的時空擾動,該風波的漣漪穿越宇宙,被月球上的人們偵測到。此番再度偵測到引力波訊號證明引力波訊號的偵測并非罕見風波,有理由預期未來還將有更多偵測案例的出現,因而真正開啟一個嶄新的引力波天文學時代。LRE物理好資源網(原物理ok網)

來自愛因斯坦的新年禮物LRE物理好資源網(原物理ok網)

昨日下午發布會現場發布的這次引力波風波的訊號圖LRE物理好資源網(原物理ok網)

再度偵測到的引力波訊號編號為,它是在2015年12月26日國際標準時03:38:53偵測到的,訊號顯示,兩個質量分別為大概14倍和8倍太陽質量的黑洞在合并以后產生了一個質量約為21倍太陽質量的黑洞其實 物理學家探測引力波的嘗試,顯示有大概1倍太陽質量的物質被以引力波的方式釋放出去,項目研究人員稱此次的訊號是“來自愛因斯坦的新年禮物”。LRE物理好資源網(原物理ok網)

在發布會一開始就由法國路易斯安那州立學院的LIGO科學合作組發言人加布艾拉·岡薩雷斯男士男士(González)開門見山地宣布了再度偵測到引力波的消息。這是她們自從去年2月份宣布首次偵測到引力波訊號以來再度宣布偵測到引力波訊號。點擊直接查看:人類首次偵測到引力波!愛因斯坦百年前預測否認LRE物理好資源網(原物理ok網)

哪些是引力波LRE物理好資源網(原物理ok網)

引力波是時空的漣漪,它是由宇宙中的一些最為劇烈的風波形成的,如大質量致密天體的碰撞或合并風波。引力波的存在早在1916年便早已由愛因斯坦預言,當時愛因斯坦證明了加速下的大質量物體將會扭曲時空,并形成從該源頭發出的時空漣漪。這些“漣漪”將以光速穿過宇宙,攜帶著關于形成它們的那次災難性風波和引力本質的珍稀信息。LRE物理好資源網(原物理ok網)

在過去的數六年間,天文學家們早已找到大量證據證明引力波的存在,主要手段是通過引力波對銀河系中近距離繞轉天體運動形成的影響所舉辦的相關研究。這種間接研究的結果與愛因斯坦在100年前的預言吻合度相爭當,如在考慮引力波帶走能量的情況然后,這類天體軌道的衰減過程完全符合愛因斯坦理論的估算結果。但是,從月球上直接偵測引力波的訊號雖然常年以來廣受科學界期盼,但卻始終無法實現突破。之所以科學家們這么期盼這項突破,是由于這將提供對于愛因斯坦廣義相對論新的,且更為直接的檢驗,并開啟人類研究宇宙的全新房門。科學家們希望她們才能獲得更多的案例,進而才能舉辦對黑洞合并頻度的研究,并幫助她們檢驗一些極端環境下數學理論的正確性,甚至可能引出更加深層的自然本質理論。LRE物理好資源網(原物理ok網)

LIGO科學合作組發言人加布艾拉·岡薩雷斯男士表示:“我們的計劃并非僅僅是偵測到首次引力波訊號,也并非想要去證明愛因斯坦是正確的或是錯誤的,我們想要做的是創建一個天文臺。”她說:“此時此刻,我們才可以說其實 物理學家探測引力波的嘗試,LIGO的目標已然真正達成了。”LRE物理好資源網(原物理ok網)

這張圖展示的是LIGO兩次確認偵測結果以及一次疑似結果的日期,前者因為訊號太過微弱而無法得到確認。這三次風波編號和具體日期為:(Sept。14,2015),(Oct。12,2015)以及(Dec。26,2015)。所有三次風波都是在為期4個月的“先進LIGO”設施首次試運行階段偵測到的LRE物理好資源網(原物理ok網)

有關這項發覺的論文早已在《物理評論快報》上發表,這是LIGO的第二次引力波偵測風波。與此同時項目組此前還以前遭受到另外一次“疑似訊號”,因為該訊號太過微弱而難以確認。研究組早已在明年2月份的那次發布會中介紹了有關情況。田納西州立學院理論化學學家勞倫斯·克勞斯表示:“引力波偵測將讓我們得以窺見宇宙的黑暗一面。引力波天文學將成為21世紀的天文學。”LRE物理好資源網(原物理ok網)

這次LIGO偵測到的引力波訊號來自兩個相互繞轉并最終合并的黑洞。最上方演示的是這兩個黑洞的實際運行情況,下邊分別展示LIGO偵測器采集的到的引力波訊號和頻度變化,可以看見頻度從最初的35Hz一路攀升到大概700HzLRE物理好資源網(原物理ok網)

兩次偵測到的引力波訊號有啥不一樣?質量更小的黑洞LRE物理好資源網(原物理ok網)

這次新發覺的引力波訊號源自大概14億年前的一次黑洞合并風波,兩個參與合并風波的黑洞質量大概分別為14倍和8倍太陽質量,它們不斷互相繞轉并最終合并。訊號顯示這兩個黑洞合并以后產生了一個質量約為21倍太陽質量的新黑洞,這就意味著在剎那間有大概和一個太陽質量相當的能量被轉化為引力波的方式釋放了出去。LRE物理好資源網(原物理ok網)

這是南半球天空示意圖,標出的位置是LIGO偵測器在2015年12月26日偵測到的引力波訊號在天空中的大致來源方位。不同的顏色腰線范圍代表可能性的高低:最內側紅色腰線圈定的范圍代表大概90%置信度,內部粉色線圈定的范圍代表的則是10%置信度水平,可見偏差率還是相當大的LRE物理好資源網(原物理ok網)

截至目前,LIGO偵測器偵測到的兩次引力波訊號大致來源方位示意圖。同樣的,不同的顏色腰線代表不同的置信度水平:最內側紅色腰線圈定的范圍代表大概90%置信度,內部粉色線圈定的范圍代表的則是10%置信度水平LRE物理好資源網(原物理ok網)

這一三維投影地圖展示的是LIGO全部三次引力波偵測訊號(包括兩次確鑿的引力波訊號偵測和一次疑似訊號偵測結果)的可能訊號源位置。兩次確認的引力波訊號分別是(紅色)和(紅色),圖中第三個區域代表的則是一個疑似訊號(,白色)。圖中不同顏色腰線區域代表不同的置信度水平:最內側腰線代表大概90%置信度,最外側則代表大概10%置信水平LRE物理好資源網(原物理ok網)

和LIGO的第一次偵測相比(當時偵測到的訊號來自兩個大概30倍太陽質量的黑洞),這次偵測到的訊號頻度更高而且持續的時間也更長。在首次引力波偵測訊號中,科學家們只觀測到兩個黑洞碰撞合并之前的最后一圈或是兩圈繞轉過程,而這次科學家們一共追蹤到兩個黑洞合并之前的最后27圈相互繞轉。岡薩雷斯表示:“這將讓我們能否更為精確地檢驗愛因斯坦的廣義相對論并對黑洞的各項參數做愈發精確的計算。”LRE物理好資源網(原物理ok網)

這次,研究組同樣有機會對參與合并黑洞的載流子情況進行觀測,結果顯示起碼那種質量較大的成員黑洞存在載流子,速度約為黑洞載流子理論最大速度的20%左右。LIGO項目組成員,日本東北學院的維基·卡羅基拉表示:“如果光從首次引力波偵測訊號來看,參與合并的兩個黑洞其實是不存在載流子的,這么從這個角度來說,這次屬于新發覺。”LRE物理好資源網(原物理ok網)

關于LIGO你了解多少?LRE物理好資源網(原物理ok網)

LIGO外形LRE物理好資源網(原物理ok網)

引力波探測實驗_其實 物理學家探測引力波的嘗試_引力波探測大科學裝置LRE物理好資源網(原物理ok網)

LIGOLRE物理好資源網(原物理ok網)

士郎省理工大學和加洲理工大學的科學家計劃用激光干涉的方式來找尋引力波時,好多研究者是竭力反對的。反對者害怕這會讓大量資金打了水漂——建造這類偵測器須要極大的投入,但可能哪些都找不到。可是,印度國家科學基金會(NSF)最終于1990年批準了激光干涉引力波天文臺(LIGO)的建造,并在1992年確定了兩座偵測器的選址:芝加哥州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓。偵測器的建設于1999年竣工,并于2001年開始搜集數據。但是,以后的9年內,LIGO哪些都沒有找到,而它也于2010年被關掉,等待升級重啟。LRE物理好資源網(原物理ok網)

在2010年關掉并開始升級的LIGO最終于今年9月重啟。升級后的中級LIGO偵測引力波的能力大大提高,并在剛才開始運行的階段就找到了來自兩個正在并合的黑洞所形成的引力波,給一個世紀之久的引力波搜救歷史畫上了完滿的句號。LRE物理好資源網(原物理ok網)

明天中午發布會上宣布偵測到的引力波訊號實際是在2015年12月26日被偵測到的,當時距離今年9月14日首次偵測到引力波訊號僅僅才過去了3個月左右。LIGO借助兩臺分別坐落路易斯安那和芝加哥州的偵測裝置捕捉到了穿過月球的時空漣漪。這兩臺偵測器都是巨大的L型結構,身高有4公里長。科學家們讓激光在這種長臂內部的反射鏡上來回反射并精確測定來自兩個長臂的反射激光之間的干涉效應,進而檢測長臂所出現的任何非常細微的空間變化。LRE物理好資源網(原物理ok網)

在正常情況下,兩條長臂應當是完全等長的,因而激光束在兩條長臂中傳播所耗費的時間是一樣的。但是一旦有引力波穿過偵測器,在一個方向上的長臂寬度都會被壓縮,而在另一個方向上的長臂則會被拉伸,進而造成兩束激光束傳播的時間寬度出現差別,當它們反射回去并匯合時,才會出現干涉白色。LRE物理好資源網(原物理ok網)

這樣的厚度變化將是非常細微的——LIGO裝置必須才能測出相當于一個質子半徑萬分之一不到的厚度變化,才可能測量到引力波訊號。這臺價值10億港元,經過技術改進以后的所謂“先進LIGO”實驗設施是此前較老版本的升級版。這一偵測裝置的設想最早在上世紀1960年代便早已出現了,最初版本的LIGO裝置在2002年建成并投入使用。LRE物理好資源網(原物理ok網)

去年2月份LIGO團隊發覺引力波的消息頓時引爆了整個學界,并引起全球媒體的極大關注,同時也為研究團隊博得了科維理天體化學學獎、科學突破大獎以及其他好多重要的科學獎項。基于那次發覺早已發表了數十篇科研論文,對首次引力波偵測的方方面面進行了詳盡的討論和剖析,從訊號偵測中可能包含的黑洞與暗物質之間聯系的信息,再到懷疑形成引力波訊號的其實根本就不是黑洞,而是蟲洞等等。德國波蘭學院的LIGO團隊成員薩布里克·瑪卡表示:“最有趣的工作是由LIGO項目組之外的科學家們完成的。”他說:“而這正是科學應有的形式。”LRE物理好資源網(原物理ok網)

引力波天文學的黎明LRE物理好資源網(原物理ok網)

正在對LIGO設施進行技術升級工作的工程師LRE物理好資源網(原物理ok網)

“先進LIGO”設施目前還僅僅是在升級以后完成了其首次試運行,該次試運行時期從今年9月份開始,仍然持續到明年1月份。其偵測器目前早已處于停機升級狀態,預計將在明年7月份進行一次測試開機。倘若一切順利,這么第二次試運行預計將從明年夏末開始,持續大概6個月。與此同時,研究組的科學家們繼續對首次試運行期間積累的大量研究數據進行剖析。不僅黑洞合并形成的引力波訊號之外,科學家們還希望未來才能偵測到中子星形成的引力波訊號——后者是一類密度極高,容積很小的星體殘片,其中的質子和電子在強悍壓力下被擠壓到一起成為中子。LRE物理好資源網(原物理ok網)

若果兩顆中子星互相合并,理論上它們也會形成引力波訊號。英國弗吉尼亞理工大學的化學學家,LIGO數據剖析委員會主席勞拉·加多那提表示:“這不會像黑洞合并那樣是一類爆燃性的風波,它們形成的引力波會微弱的多。這將是一場常年的搜索,須要耗費時間,目前我們仍在對此展開嘗試。”LRE物理好資源網(原物理ok網)

隨著研究組獲得的數據越來越多,她們希望還能加深對于雙黑洞系統動因的理解,其實最大的可能性是:它們本來就存在于一個雙星系統中,當兩顆星體全都死亡以后,剩下的兩個黑洞就構成了雙黑洞系統。另一種理論則覺得雙黑洞系統形成于密集的星團之中,當星體死亡以后產生單個的黑洞,此后在各自的引力作用下互相接近并成為雙黑洞系統。卡羅基拉表示:“這是我主要的興趣所在——我們才能最終弄清楚雙黑洞系統到底是怎么產生的,這兩種理論到底哪一種是對的?或則說這兩種機制都存在?”LRE物理好資源網(原物理ok網)

隨著LIGO發覺越來越多的引力波風波案例,科學家們也將擁有更多樣本,用于對愛因斯坦的廣義相對論中所包含的相關預言進行愈發精確的檢驗。雖然絕大多數科學家相信廣義相對論肯定將能否順利通過任何測量——畢竟此前早已有這么多的檢驗都證明了它的正確性,而且科學家們還是十分希望能夠發覺與理論預言的任何偏離,由于這可能就意味著發覺更深層次科學原理的機會,這似乎將還能幫助科學家們最終實現引力與量子熱學之間的統一。加多那提表示:“到目前為止我們還仍未發覺任何與廣義相對論不符的情況。但假如我們開始觀測到任何不吻合,我們其實就將迎來趕超廣義相對論的嶄新時代。”LRE物理好資源網(原物理ok網)

不管怎樣,科學家們還是希望LIGO早已取得的這兩次發覺將只不過是一個常年和高產科學實驗設施的“小試身手”。正如瑪咖所說的那樣:“為這個項目,科學家們早已拼搏了三代人,未來還將起碼有三代科學家繼續舉辦這項工作。我們正身處在這中間位置,真是美妙極了!”LRE物理好資源網(原物理ok網)

最后要提一句,不僅德國和意大利的VIRGO,臺灣的KAGRA,還有計劃在美國修筑的第三個LIGO偵測器外,中國也提出了空間形意計劃偵測中低頻波段引力波和佛山學院發起的天琴計劃偵測引力波,越來越多的國家和科學家正在共同參與到引力波的研究中來。(晨風郭祎)LRE物理好資源網(原物理ok網)

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