天体物理学家发现新的引力波探测方法 探索宇宙最深处的奥秘

天体物理学家发现新的引力波探测方法探索宇宙最深处的奥秘科大物理系刘教授团队提出的突破性概念，可让地球磁层中的单个天文望远镜成为全球变暖信号的探测器。资料来源：香港科技大学在香港科技大学物理系副教授刘涛教授的领导下，研究小组的创新方法可以利用行星磁层中现有的、技术上可行的天文望远镜成功探测高频引力波。这将为以有效和技术可行的方式研究早期宇宙和剧烈宇宙事件开辟新的可能性。引力波（GW）由各种天文现象产生，如早期宇宙的相变和原始黑洞的碰撞。然而，引力波的影响极其微弱，目前只能通过干涉测量法在相对较低的频段发现引力波。因此，利用全球升温潜能值观测宇宙面临着巨大的技术挑战，特别是在探测一千赫以上的高频段时，干涉测量法的使用受到很大限制。为了解决这一难题，刘涛教授和他的博士后研究员张晨博士与中国科学院高能物理研究所的任静研究员合作，在最近的研究中取得了重大突破。这项研究利用了一个有趣的物理效应：驻留在磁场中的全球瓦可以转化为潜在的可探测电磁波。通过利用行星磁层内的延伸路径，转换效率得以提高，从而产生更多的电磁波信号。对于具有宽视场的望远镜来说，由于这种行星实验室内的信号通量具有广阔的角度分布，因此探测能力可以得到进一步提高。这种创新方法可使单个天文望远镜充当全球变暖信号的探测器。通过组合多个望远镜，可以实现高频全球变暖频率的广泛覆盖，从兆赫兹到1028赫兹不等。这一频率范围相当于天文观测中使用的电磁波谱，其中有很大一部分是以前在探测GW时从未探索过的。这项研究对低地球轨道卫星探测器和木星磁层内正在进行的任务的灵敏度进行了初步评估。这项研究发表在今年3月的《物理评论快报》上，随后，《自然-天文学》在5月发表了一篇题为"行星大小的实验室提供了宇宙学见解"的文章，重点介绍了这项研究。这强调了这项研究在为未来新型全球变暖探测技术研究铺平道路方面的重要意义。编译来源：ScitechDailyDOI:10.1103/PhysRevLett.132.131402DOI:10.1038/s41550-024-02285-w...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433772.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433772.htm

物理学家创建了环形黑洞的新模型

物理学家创建了环形黑洞的新模型黑洞是空间中引力非常强大的区域，以至于没有任何东西，甚至是光，可以逃脱其牵引。它们是由大质量恒星的残余物形成的，这些恒星已经坍缩到自己身上了。基夫-米特曼说："非线性效应是海滩上的波峰和碰撞时发生的情况。"他是加州理工学院的研究生，与索尔-特科尔斯基（74年博士）一起工作，后者是加州理工学院理论天体物理学的罗宾逊教授，在康奈尔大学有一个联合任命。"这些波相互作用，相互影响，而不是自己骑行。对于像黑洞合并这样剧烈的事情，我们预计会有这些影响，但直到现在才在模型中看到它们。从我们的模拟中提取波形的新方法使我们有可能看到这些非线性。"发表在《物理评论快报》杂志上的这项研究来自于加州理工学院、哥伦比亚大学、密西西比大学、康奈尔大学和马克斯-普朗克引力物理研究所的一个研究小组。加州理工学院研究生KeefeMitman解释了一个包含非线性引力效应的黑洞碰撞的新数学模型--他把这种现象比作两个人在蹦床上狂跳时发生的情况。在未来，这个新模型可以用来了解实际的黑洞碰撞，自从LIGO（激光干涉仪引力波观测站）在2015年创造历史，首次从太空直接探测到引力波以来，LIGO就一直在例行观测。LIGO将在今年晚些时候重新开启，在此之前，LIGO将获得一组升级，使探测器对引力波比以前更加敏感。米特曼和他的同事是一个名为"模拟极端空间合作"（SXS）的团队的成员。SXS项目由Teukolsky和诺贝尔奖获得者KipThorne（BS'62）合作创立，他是加州理工学院理论物理学名誉教授RichardP.Feynman，该项目使用超级计算机来模拟黑洞合并。超级计算机利用爱因斯坦的广义相对论的方程模拟黑洞如何在一起螺旋式地演化和合并。事实上，Teukolsky是第一个了解如何使用这些相对论方程来模拟黑洞碰撞的"下降"阶段的人，这个阶段就发生在两个大质量物体合并之后。"需要超级计算机来进行整个信号的精确计算：两个轨道上的黑洞的吸入，它们的合并，以及沉降到一个单一的静止残余黑洞，"Teukolsky说。"对沉降阶段的线性处理是我不久前在基普手下的博士论文的主题。对这一阶段的新的非线性处理将允许对电波进行更精确的建模，并最终对广义相对论是否事实上是黑洞的正确引力理论进行新的测试。"事实证明，SXS模拟在识别和描述LIGO迄今为止探测到的近100个黑洞粉碎方面发挥了作用。这项新的研究代表了该团队首次在模拟环流阶段的过程中发现了非线性效应。"想象一下，在一个蹦床上有两个人，"米特曼说。"如果他们轻轻地跳，他们不应该影响另一个人那么多。这就是我们说一个理论是线性的时候所发生的事情。但是如果一个人开始用更多的能量弹跳，那么蹦床就会扭曲，另一个人就会开始感受到他们的影响。这就是我们所说的非线性：蹦床上的两个人因为另一个人的存在和影响而经历新的振荡。"在引力方面，这意味着模拟产生了新类型的波。"如果你在大波之下深入挖掘，你会发现另外一种具有独特频率的新波，"米特曼说。从大的方面来看，这些新的模拟将帮助研究人员更好地描述LIGO所观测到的未来黑洞碰撞的特征，并更好地测试爱因斯坦的广义相对论。合著者、哥伦比亚大学的MacarenaLagos说："这是我们为下一阶段的引力波探测做准备的一大步，这将加深我们对发生在宇宙远处的这些不可思议的现象中的引力的理解"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349313.htm

天体物理学家寻找第二近的超大质量黑洞 是太阳质量的300万倍

天体物理学家寻找第二近的超大质量黑洞是太阳质量的300万倍这个超大质量黑洞被标记为狮子座I*，这个是由独立的天文学家团队在2021年底首次提出的。该团队注意到恒星在接近星系中心时运行速度加快--这是黑洞的证据--但直接对黑洞的发射成像是不可能的。现在，CfA天体物理学家FabioPacucci和AviLoeb提出了一种验证超大质量黑洞存在的新方法。他们的工作被描述在最近发表在《天体物理学杂志》上的一项研究中。超微弱的银河系伴侣星系狮子座I出现在著名的亮星轩辕十四的右边，显示为一个微弱的斑块。资料来源：ScottAnttilaAnttlerApJLetters研究的主要作者FabioPacucci说："黑洞是非常难以捉摸的物体，有时它们喜欢和我们玩捉迷藏。光线无法逃离它们的事件视界，但是它们周围的环境可以非常明亮--如果有足够的物质落入它们的引力井。但是，如果一个黑洞没有增殖质量，就不会发出任何光，并且变得无法用我们的望远镜找到。"这就是狮子座I*面临的挑战--一个矮小的星系，没有可用来增殖的气体，以至于它经常被描述为"化石"。那么，我们应该放弃观察它的任何希望吗？天文学家们说也许不是。Pacucci解释说："在我们的研究中，从黑洞周围游荡的恒星中损失的少量质量可以提供观察它所需的增殖率。老恒星变得非常大，而且是红色的--我们称它们为红巨星。红巨星通常有强大的风，将其质量的一部分带到环境中。狮子座I*周围的空间似乎包含了足够多的这些古老的恒星，使它可以被观测到。"该研究的共同作者AviLoeb说："观测狮子座I*的行动可能是突破性的。它将是继我们银河系中心的超大质量黑洞之后第二近的黑洞，其质量非常相似，但其所在的星系质量比银河系小一千倍。这一事实挑战了我们对星系及其中心超大质量黑洞如何共同演化的所有了解。这样一个超大的婴儿是如何从一个苗条的父母身上诞生的？"持续几十年的研究表明，大多数大质量星系的中心都有一个超大质量的黑洞，而黑洞的质量是其周围球状恒星总质量的十分之一。"在狮子座I的状态下，我们会期待一个小得多的黑洞。相反，狮子座I似乎包含一个质量为太阳几百万倍的黑洞，与银河系所承载的黑洞类似。这是令人激动的，因为当意外发生时，科学通常会取得最大的进展。"那么，我们什么时候可以期待一个黑洞的图像？"我们还没有到那一步，"Pacucci说。"狮子座I*正在玩捉迷藏，但它发出的辐射太多，无法长期保持不被发现。"该团队已经在太空中的钱德拉X射线天文台和新墨西哥州的甚大阵射电望远镜上获得了望远镜时间，目前正在分析新数据。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336001.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336001.htm

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子这种粒子在1956年首次被发现，并在使恒星燃烧的过程中发挥了关键作用。这一发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的性质。这项工作还可以揭示出宇宙中微子的情况，这些中微子会长途跋涉并与地球发生碰撞，为了解宇宙的遥远部分提供了一个窗口。这是"前向搜索实验"（FASER）的最新成果，这是一个由国际物理学家小组设计和建造的粒子探测器，安装在瑞士日内瓦的欧洲核子研究理事会（CERN）。在那里，FASER检测由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的粒子。加州大学欧文分校粒子物理学家和FASER合作项目共同发言人乔纳森-冯（JonathanFeng）说："我们从一个全新的来源--粒子对撞机当中发现了中微子，在那里你有两束粒子以极高的能量砸在一起。"他发起了这个项目，UCI和21个合作机构的80多名研究人员参与其中。FASER粒子探测器位于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的地下深处，大部分是用欧洲核子研究中心其他实验的备件建造的。信用：照片由欧洲核子研究中心提供欧洲核子研究中心的粒子物理学家布莱恩-彼得森周日代表FASER在意大利举行的第57届RencontresdeMoriond弱电相互作用和统一理论会议上宣布了这些结果。中微子是由已故UCI物理学家和诺贝尔奖得主FrederickReines在近70年前共同发现的，是宇宙中最丰富的粒子，"对建立粒子物理学的标准模型非常重要，"FASER联合发言人JamieBoyd说。"但是在对撞机上产生的中微子从未被实验所探测到。"自从Reines和UCI物理学和天文学教授HankSobel等人的开创性工作以来，物理学家研究的大多数中微子都是低能量的中微子。但是FASER检测到的中微子是在实验室中产生的最高能量的中微子，与深空粒子在我们的大气层中引发巨大的粒子雨时发现的中微子相似。Boyd说："它们能以我们无法了解的方式告诉我们关于深空的情况。大型强子对撞机中的这些非常高能量的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观察结果非常重要。"FASER本身在粒子探测实验中是新的和独特的。与欧洲核子研究中心的其他探测器相比，如ATLAS，它有几层楼高，重达数千吨，而FASER大约只有一吨，可以整齐地放在欧洲核子研究中心的一个小侧隧道内。而且，它只花了几年时间就利用其他实验的备件进行设计和建造。UCI实验物理学家戴夫-卡斯帕说："中微子是大型强子对撞机上更大的实验无法直接探测到的唯一已知粒子，所以FASER的成功观测意味着对撞机的全部物理学潜力终于被开发出来了。"除了中微子，FASER的另一个主要目标是帮助识别构成暗物质的粒子，物理学家认为暗物质包括宇宙中的大部分物质，但他们从未直接观察到。FASER尚未发现暗物质的迹象，但随着大型强子对撞机将在几个月后开始新一轮的粒子对撞，该探测器已经准备好记录任何出现的暗物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350507.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350507.htm

大质量黑洞和 "胶水 "粒子 - 物理学家发现了令人瞩目的对应关系

大质量黑洞和"胶水"粒子-物理学家发现了令人瞩目的对应关系这项突破性的研究显示，这两个系统都由密集排列的、自我作用的载力粒子组成。在CGC的情况下，这些粒子是胶子，而在黑洞中，它们是引力子。在CGC中胶子的组织和黑洞中引力子的组织都是针对各自系统的能量和大小而优化的。在CGC和黑洞中的高度秩序是由每个系统包装在关于粒子特征的最大数量的量子"信息"所驱动的。这包括它们的空间分布、速度和集体力量。这种对"信息"内容的限制是普遍的。这意味着研究表明，量子信息科学可以为理解这些差异很大的系统提供新的组织原则。这些系统之间的数学对应关系也意味着，研究每个系统可以提高我们对另一个系统的理解。特别感兴趣的是黑洞合并中的引力冲击波与核碰撞中的胶子冲击波的比较。尺寸达数十亿公里的黑洞（左，由事件地平线望远镜成像）与原子核碰撞中产生的亚原子胶子的密集状态（右）有共同的特征。科学家们在核碰撞中研究强作用力。例如，在相对论重离子对撞机，能源部的一个用户设施，原子核加速到接近光速，成为胶子的密集墙，称为彩色玻璃凝聚物（CGC）。当原子核碰撞时，CGC演变为夸克和胶子的近乎完美的液体，这是构成所有可见物质的基本组成部分。尽管强力在亚原子尺度上运作，但慕尼黑路德维希-马克西米利安大学、马克斯-普朗克物理研究所和布鲁克海文国家实验室的科学家们最近的分析表明，CGC与黑洞有着共同的特征，黑洞是巨大的引力子集合体，在整个宇宙中施加引力。这两组自我作用的粒子似乎都以一种满足对每个系统中可能存在的熵或无序程度的普遍限制的方式来组织自己。这种数学上的对应关系指出了黑洞的形成、热化和衰变与胶子墙在超相对论速度-接近光速的核碰撞中发生的情况之间的相似性。推动这种对应关系的熵的极限与最大信息包装有关--这是量子信息科学（QIS）的关键特征。因此，量子信息科学可以进一步启发科学家对胶子、引力子、CGC和黑洞的理解。这种方法也可能推进量子计算机的设计，使用冷原子来模拟和解决有关这些复杂系统的问题。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356901.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356901.htm

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学每秒钟大约有一万亿个叫做中微子的微小粒子穿过你的身体。这些在宇宙大爆炸期间产生的"遗迹"中微子遍布整个宇宙，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一个中微子有可能轻触你体内的一个原子。由黑洞等天体产生的大多数中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子能量大得多。虽然这些高能中微子更为罕见，但它们更有可能撞上什么东西，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测到它们，中微子物理学家不得不建造非常大型的实验。冰立方就是这样一个实验，它在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见类型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探测到了它们，从近10年的数据中提取出了一些。它们的出现让像我这样的研究人员离揭开天体中微子等高能粒子如何产生之谜更近了一步。冰立方位于数以吨计的透明冰层上，让科学家们能够看到中微子的相互作用。资料来源：克里斯托弗-米歇尔冰立方中微子天文台冰立方中微子天文台是大型中微子实验中重达800磅的庞然大物。它拥有约5000个传感器，十多年来一直在仔细观察南极地下的千兆吨冰层。当中微子与冰层中的原子碰撞时，会产生一个光球，传感器会将其记录下来。当中微子穿过冰立方时，其中的一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下这些光。在视频中，球体代表各个传感器，每个球体的大小与其探测到的光的多少成正比。颜色表示光的相对到达时间，根据彩虹的颜色，红色到达时间最早，紫色最晚。冰立方已经探测到在多个地方产生的中微子，如地球大气层、银河系中心以及许多光年外其他星系的黑洞。但是，中微子中的一种高能中微子--tau中微子，却一直躲避着冰立方--直到现在。中微子有三种不同类型，物理学家称之为"味道"。每种味道都会在冰立方这样的探测器上留下独特的印记。当中微子撞击另一种粒子时，通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，头中微子产生头。具有μ介子味道的中微子具有最明显的特征，因此我和冰立方合作小组的同事们自然首先寻找这些中微子。μ介子中微子碰撞释放出的μ介子在衰变前会穿过数百米的冰层，形成一条长长的可探测光轨。通过这条轨迹，研究人员可以追踪中微子的来源。研究小组接下来研究了电子中微子，其相互作用产生了一个大致球形的光球。电子中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞向它靠近的冰层中的每一个粒子。在电子最终静止之前，这种相互作用会留下一个不断膨胀的光球。由于电子中微子的方向很难用肉眼辨别，冰立方的物理学家们应用机器学习技术来回溯电子中微子可能产生的位置。这些技术利用复杂的计算资源，调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。第三种中微子--tau中微子--是三重奏中的变色龙。一个tau中微子可以显示为一条光轨，而下一个tau中微子则可以显示为一个球。在碰撞中产生的头中微子在衰变前只飞行了几分之一秒，当它衰变时，通常会产生一个光球。这些tau中微子会产生两个光球，一个是它们最初撞击到某个物体并产生tau粒子，另一个则是tau粒子本身发生衰变。大多数情况下，中微子只飞行了很短的距离就衰变了，这使得两个光球重叠得非常厉害，以至于无法与一个光球区分开来。但在能量较高的情况下，发射出的tau粒子可以飞行数十米，导致两个光球彼此分离。掌握了这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，从而大海捞针。高能tau中微子利用这些计算工具，研究小组成功地从大约10年的数据中提取出7个强候选tau中微子。这些tau中微子的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器还要高，这意味着它们一定来自天体物理源，比如黑洞。这些数据证实了冰立方先前发现的天体物理中微子，也证实了冰立方先前发现的天体物理tau中微子的蛛丝马迹。这些结果还表明，即使在最高能量和最远距离上，中微子的行为方式也与它们在较低能量下的行为方式基本相同。特别是，对天体物理tau中微子的探测证实，来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量更低的中微子在更短的距离内也会以同样的方式振荡。黑洞，如图中的黑洞，可以发射高能中微子。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss随着"冰立方"和其他中微子实验收集到更多数据，科学家们也更善于区分三种中微子，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚，地球与这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否会根据粒子的质量对粒子进行不同的处理。与来自宇宙大爆炸的更常见的中微子相比，高能量的头中微子及其μ介子和电子表亲总是要少一些。但它们的数量足以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究两者之间的无限空间。作者：道格-考恩（DougCowen），宾夕法尼亚州立大学物理教授、天文学和天体物理学教授。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435846.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435846.htm