时空涟漪 - 科学家揭开引力波之间相互作用的秘密

时空涟漪-科学家揭开引力波之间相互作用的秘密当两个黑洞相撞时，其冲击力是如此之大，以至于我们在地球上都能探测到。这些天体是如此巨大，以至于它们的碰撞会在时空本身产生涟漪。科学家称这些涟漪为引力波。虽然爱因斯坦早在1916年就预言了引力波的概念，但物理学家直到2015年才在LIGO（激光干涉引力波天文台）上直接探测到引力波。现在，在能源部科学办公室和其他几个联邦机构的支持下，科学家们正在努力更好地理解这些引力波，以及它们能告诉我们有关黑洞的信息。除了威力巨大之外，这些碰撞还具有令人难以置信的复杂物理特性。为了准确，对它们的计算机模拟也必须非常复杂。模拟需要包括碰撞过程中的每一个步骤：黑洞相互螺旋上升、合并、变成一个扭曲的黑洞，然后沉降为一个单一的黑洞。这个过程非常复杂，科学家需要超级计算机来运行模拟。这张照片来自"模拟极端时空"（SimulatingeXtremeSpacetimes，简称SXS）合作项目利用超级计算机进行的模拟，照片中两个黑洞即将合并。当黑洞旋转在一起时，它们会在空间和时间上产生被称为引力波的涟漪。图片来源：SXSLensing/SimulatingeXtremeSpacetimesCollaboration然后，物理学家将这些模拟的数值数据与这一过程的模型进行比较。旧版本的模型显示引力波不会相互影响或相互作用。然而，科学家们怀疑这并不准确。试想一下，两个人相邻站在一个水池里制造引力波。如果每个人发出的波都非常小，那么这些波就有可能互不干扰。它们在相互影响之前就会消失。但是，如果两个人都在制造大波浪，波浪就会相互碰撞，产生新的波浪。科学家们知道碰撞会产生强烈的引力波，因此认为它们会相互影响--只是没有显示出来而已。来自加州理工学院（Caltech）、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对这些数值输出进行了新的、更详细的分析。分析结果表明，引力波之间存在相互作用。每个波都会导致其他波发生轻微变化。相互作用产生了具有各自独立频率的新型波。这些新的波比原来的波更小、更混乱、更不可预测。通过在模型中加入这一特征，科学家们可以更准确地描述数值输出告诉他们的信息。LIGO利文斯顿实验室。资料来源：LIGO实验室在黑洞碰撞模型中加入这些相互作用将使模型更加精确。反过来，这些模型将帮助我们更好地解释真实世界的观测结果。模型越精确，对解读来自LIGO的数据就越有用。此外，更好的模型还能帮助科学家弄清广义相对论是否是解释黑洞实际情况的正确理论。虽然广义相对论--爱因斯坦提出的著名理论广泛地解释了引力如何影响时空，但这一理论在多大程度上适用于黑洞的奇特性质仍有待确定。黑洞碰撞距离地球和我们的日常生活遥远得难以想象。虽然我们无法亲身感受到引力波，但科学家们获得的数据和建立的模型每天都在扩展我们对这些不可思议现象的认识。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389973.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389973.htm

新模型模拟出碰撞的黑洞在时空结构中发出的涟漪

新模型模拟出碰撞的黑洞在时空结构中发出的涟漪这个新模型很重要，因为它最终为科学家们提供了一种方法来准确测量这些波纹在穿越时空时如何相互作用。能够更清晰地呈现出黑洞碰撞如何产生这些波纹的画面，也可以让科学家对碰撞本身有更多了解。科学家们计划使用引力波探测器，如激光干涉仪引力波观测站（LIGO）来研究这些黑洞碰撞产生的波纹事件。以前的模型总是依赖于线性数学，而从未研究过波浪如何相互影响。不过，通过用新的模型来观察，我们终于可以更好地理解碰撞的黑洞。模拟中的碰撞黑洞图片来源：美国宇航局戈达德空间站、美国宇航局戈达德太空飞行中心/YouTube这个新模型的基础是由模拟极限时空（SXS）团队创建的。这个程序是在一台超级计算机上运行的，它模拟碰撞的黑洞，以更好地研究合并产生的涟漪。这使科学家们能够更深入地挖掘，揭示出科学家在其他方面没有发现的非线性效应。研究人员最大的希望是，新的发现将有助于为下一代的引力波探测器铺平道路。此外，这样做将使我们能够扩大对碰撞黑洞的理解，以及这些大规模的合并实际上如何影响我们宇宙的基础。此外，它将帮助我们确定广义相对论是否是黑洞的正确引力理论。黑洞也在教给科学家更多关于宇宙如何膨胀的知识，有些人甚至认为，这些宇宙之谜可能是外星人创造的巨大的量子数据超级计算机。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345989.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345989.htm

双星接触所形成的黑洞 天文学家记录撼动宇宙的宇宙碰撞

双星接触所形成的黑洞天文学家记录撼动宇宙的宇宙碰撞将他们的观察结果与双星演化的理论模型相比较，他们发现，在最适合的模型中，目前被喂养的恒星将成为一个黑洞，并将喂养其伴星。存活下来的恒星将在不久之后成为一个黑洞。这些黑洞将在短短几百万年内形成，但随后将相互环绕数十亿年，然后以如此大的力量相撞，产生引力波--时空结构中的涟漪--理论上可以用地球上的仪器探测到。该研究的主要作者、博士生马修-里卡德（UCL物理与天文学）说："由于引力波探测器Virgo和LIGO的存在，在过去几年里已经探测到了几十个黑洞合并。但是到目前为止，我们还没有观察到那些被预测会坍缩成这种大小的黑洞并在时间尺度上短于甚至大致与宇宙年龄相当的恒星。我们的最佳拟合模型表明这些恒星将在180亿年后合并为黑洞。在离我们的银河系如此之近的地方发现这种演化路径上的恒星，为我们提供了一个极好的机会，让我们更多地了解这些黑洞双星是如何形成的。"共同作者、波茨坦大学的博士生丹尼尔-鲍里说："这颗双星是迄今为止观察到的质量最大的接触双星。较小、较亮、较热的恒星，质量是太阳的32倍，目前正在向其较大的同伴失去质量，后者的质量是我们太阳的55倍。"天文学家今天看到的黑洞合并形成于数十亿年前，当时宇宙中的铁和其他较重元素含量较低。这些重元素的比例随着宇宙的老化而增加，这使得黑洞合并的可能性降低。这是因为重元素比例较高的恒星有更强的风，它们会更快地自我吹散。饱受研究的小麦哲伦云，距离地球约21万光年，由于自然界的一个怪癖，它的铁和其他重金属丰度约为我们银河系的七分之一。在这方面，它模仿了宇宙中遥远的过去的条件。但是与更古老、更遥远的星系不同，它足够接近，天文学家可以测量单个和双星的属性。在他们的研究中，研究人员利用美国宇航局哈勃太空望远镜（HST）和智利欧空局超大型望远镜上的多单元光谱探测器（MUSE）以及其他望远镜上的仪器在多个时段获得的数据，测量了来自双星的不同光带（光谱分析），其波长范围从紫外线到光学到近红外。利用这些数据，研究小组能够计算出恒星的径向速度--也就是说，它们向着或远离我们的运动--以及它们的质量、亮度、温度和轨道。然后他们将这些参数与最适合的进化模型相匹配。他们的光谱分析表明，较小的恒星的大部分外包层已经被其较大的同伴剥去了。他们还观察到这两颗恒星的半径都超过了它们的洛希瓣--也就是说，在一颗恒星周围，物质被引力束缚在该恒星上的区域--证实了较小恒星的一些物质正在溢出并转移到伴星上。在谈到这两颗恒星的未来演变时，里卡德解释说："较小的恒星将首先成为一个黑洞，在短短70万年内，要么通过一个被称为超新星的壮观的爆炸，要么它可能大到坍缩成一个黑洞而不向外爆炸。在第一个黑洞开始从它的同伴那里增殖质量，对它的同伴进行报复之前，它们将成为约300万年的不安的邻居"。进行建模工作的Pauli补充说："只过了20万年，用天文术语来说就是一瞬间，伴星也将坍缩成一个黑洞。这两颗大质量的恒星将继续围绕对方运行，在数十亿年的时间里每隔几天绕一圈。慢慢地，它们将通过发射引力波而失去这种轨道能量，直到它们每隔几秒钟就互相绕行一次，最终在180亿年后合并在一起，通过引力波释放出巨大的能量。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358307.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358307.htm

天文学家揭开宇宙最重黑洞双星之谜

天文学家揭开宇宙最重黑洞双星之谜两个超大质量黑洞的合并是一个早已被预测到的现象，尽管从未被直接观测到过。天文学家提出的一个理论是，这些系统的质量如此之大，以至于它们耗尽了宿主星系中驱动合并所需的恒星物质。利用双子座北望远镜的档案数据，一个天文学家小组发现了一个双黑洞，为这一观点提供了有力的证据。据研究小组估计，这个双黑洞的质量是太阳质量的280亿倍，是迄今为止测量到的最重的双黑洞。这次测量不仅为双星系统的形成及其宿主星系的历史提供了宝贵的背景资料，而且还支持了一个由来已久的理论，即超大质量黑洞双星的质量在阻止超大质量黑洞合并方面起着关键作用。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/J.daSilva/M.Zamani几乎每个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞。当两个星系合并时，它们的黑洞会形成一对双星，这意味着它们处于相互束缚的轨道上。据推测，这些双星最终会合并，但这一现象从未被观测到过[1]。几十年来，天文学家们一直在讨论这样的事件是否可能发生。在最近发表于《天体物理学报》（TheAstrophysicalJournal）的一篇论文中，一个天文学家小组提出了对这一问题的新见解。一个天文学家小组利用由美国国家科学基金会NOIRLab负责运行的双子座北望远镜（国际双子座天文台的一半）提供的档案数据，测量出了迄今发现的最重的一对超大质量黑洞。两个超大质量黑洞的合并是一种早已被预测到的现象，但从未被观测到过。这对超大质量黑洞提供了一些线索，说明为什么宇宙中发生这种事件的可能性如此之小。双子座北区前所未有的洞察力研究小组利用夏威夷双子座北望远镜（由美国国家科学基金会资助的NOIRLab运行的国际双子座天文台的二分之一）的数据，分析了位于椭圆星系B20402+379内的一个超大质量黑洞双星。这是迄今为止唯一一个被分辨得足够详细，可以分别看到两个天体的超大质量黑洞双星，[2]而且它还保持着迄今为止直接测量到的最小间隔记录--仅仅24光年[3]。虽然如此接近的分离预示着强大的合并，但进一步的研究发现，这对天体已经在这个距离上停滞了30多亿年，这不禁让人产生疑问：是什么阻碍了合并？双黑洞合并的挑战为了更好地了解这个系统的动态及其停止的合并，研究小组研究了双子座北区的双子座多目标摄谱仪（GMOS）的档案数据，这些数据使他们能够确定黑洞附近恒星的速度。"GMOS出色的灵敏度使我们能够测绘出恒星在靠近星系中心时的速度，"论文共同作者、斯坦福大学物理学教授罗杰-罗曼尼（RogerRomani）说。"有了这些，我们就能推断出居住在那里的黑洞的总质量。"据研究小组估计，这对双星的质量是太阳质量的280亿倍，是迄今测量到的最重的双黑洞。这一测量结果不仅为双星系统的形成及其宿主星系的历史提供了宝贵的背景资料，而且还支持了一个由来已久的理论，即超大质量双黑洞的质量在阻止潜在合并中起着关键作用[4]。"为国际双子座天文台提供服务的数据档案蕴藏着一座尚未开发的科学发现金矿，"国家科学基金会国际双子座天文台项目主任马丁-斯蒂尔说，"对这个极端超大质量双黑洞的质量测量是一个令人敬畏的例子，说明了探索这一丰富档案的新研究可能产生的影响。"二进制系统的形成与未来了解这个双星是如何形成的，有助于预测它是否以及何时会合并--一些线索表明，这对双星是通过多个星系合并形成的。首先，B20402+379是一个"化石星系团"，这意味着它是整个星系团的恒星和气体合并成一个大质量星系的结果。此外，两个超大质量黑洞的存在，加上它们巨大的总质量，表明它们是由多个星系的多个较小黑洞合并而成的。星系合并后，超大质量黑洞不会正面相撞。相反，当它们进入一个有束缚的轨道时，就会开始互相弹射。它们每经过对方一次，能量就会从黑洞传递到周围的恒星。随着它们能量的流失，这对黑洞被越拖越近，直到相距仅有一光年时，引力辐射占据上风，它们才会合并。这一过程已经在成对恒星质量的黑洞中被直接观测到--有史以来的第一次记录是在2015年通过引力波的探测--但从未在超大质量的双星中观测到过。停滞不前的合并与未来联合的可能性通过对该星系巨大质量的新了解，研究小组得出结论，需要有数量特别多的恒星才能减缓双星轨道的速度，使它们如此接近。在这个过程中，黑洞似乎甩掉了它们附近几乎所有的物质，使得星系核心缺少恒星和气体。由于没有更多的物质来进一步减缓这对天体的轨道，它们的合并在最后阶段停滞了。罗曼尼说："通常情况下，黑洞对较轻的星系似乎有足够的恒星和质量来驱动两者迅速结合在一起。由于这对黑洞非常重，因此需要大量恒星和气体来完成这项工作。但是这对黑洞已经将中央星系中的这些物质清除干净，使它停滞不前，可供我们研究。"这对天体究竟会克服停滞状态，最终以数百万年的时间尺度合并，还是永远继续在轨道上徘徊，目前尚无定论。如果它们真的合并，产生的引力波将比恒星质量的黑洞合并产生的引力波强大一亿倍。这对天体有可能通过另一次星系合并来征服最后的距离，这将为星系注入更多的物质，或者有可能是第三个黑洞，从而使这对天体的轨道慢到足以合并。不过，鉴于B20402+379是一个化石星系团，另一个星系合并的可能性不大。"我们期待着对B20402+379的内核进行后续调查，我们将研究其中存在多少气体，"论文第一作者、斯坦福大学本科生TirthSurti说。"这应该能让我们更深入地了解超大质量黑洞最终能否合并，或者它们是否会作为双星搁浅。"说明虽然有证据表明超大质量黑洞之间的距离只有几光年，但似乎没有一个黑洞能够跨越这个最终距离。关于这种事件是否可能发生的问题被称为"最终-秒差距问题"，几十年来一直是天文学家们讨论的话题。以前曾对含有两个超大质量黑洞的星系进行过观测，但在这些情况下，它们相距数千光年--太远了，不可能像在B20402+379中发现的双星那样处于相互结合的轨道上。其他黑洞动力源的距离可能更小，不过这些都是通过间接观测推断出来的，因此最好归类为候选双星。这一理论最早是由贝格尔曼等人于1980年提出的，根据数十年来对星系中心的观测，这一理论一直被认为是存在的。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422216.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422216.htm

观察发现垂死的恒星的"茧"是引力波的潜在新来源

观察发现垂死的恒星的"茧"是引力波的潜在新来源引力波是不可见的，但速度惊人的时空涟漪，由空间中一些最猛烈、能量最大的过程引起。引力波以光速传播，挤压和拉伸它们经过的任何东西。美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）是专门为探测引力波而设计的。像意大利的Virgo干涉仪和日本的神冈引力波探测器（KAGRA）一样，LIGO允许科学家使用他们收集的信息来分析我们的宇宙。到目前为止，引力波是从双星系统中观察到的，即两个天体--如黑洞或中子星--距离足够近，它们的引力吸引导致它们相互绕行。现在，伊利诺伊州西北大学的研究人员说，我们可以测量来自一个单一的非双星源的引力波：垂死的大质量恒星周围的碎片"茧"。"截至目前，LIGO只探测到来自双星系统的引力波，但有一天它将探测到第一个非双星引力波源，"该研究的主要作者OreGottlieb说。"这种茧是我们应该首先寻找这种类型的来源的地方之一。"一个核心坍缩超新星是一个经历了引力坍缩的大质量恒星，处于生命的最后阶段。它的坍缩与长时间的伽马射线暴有关，它以高能射流的形式出现，当它们被挤出恒星时，会导致恒星物质形成一个沙漏状的茧。戈特利布说："喷流从恒星内部深处开始，然后钻出它的方式来逃脱，这就像你在墙上钻一个洞。旋转的钻头撞到墙上，碎片从墙上溢出。钻头给了这种物质能量。同样地，喷气机冲破了恒星，导致恒星的物质升温并溢出。这些碎片形成了茧的热层"。研究人员使用模拟方法来模拟一颗大质量恒星的坍缩，从恒星坍缩成黑洞开始，直到射流逸出。他们首次证明，一个茧可以发出可探测的引力波。研究人员说，这比从伽马射线暴或超新星中寻找引力波要好，后者发生的频率LIGO可能无法探测到。"超新星是相当球形和对称的，所以球形爆炸不会改变恒星中的平衡质量分布来发射引力波，"戈特利布说。"伽马射线爆发持续几十秒，所以频率非常小--低于LIGO敏感的频段。"另一方面，茧是不对称的，而且能量很高，研究人员说，这应该意味着LIGO会捡到它们。而且它们有可能提供额外的信息。戈特利布说："我们的研究是向社会发出的行动号召，将茧作为引力波的一个来源来看待。我们也知道茧会发出电磁辐射，所以它们可能是多信使事件。通过研究它们，我们可以更多地了解在恒星的最内部发生了什么，喷射器的属性以及它们在恒星爆炸中的普遍性。"这项研究发表在《ArXiv》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363797.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363797.htm

时空弯曲的涟漪，让人们离宇宙真理更近？1916年

时空弯曲的涟漪，让人们离宇宙真理更近？1916年，爱因斯坦发表论文，预测了引力波的存在；一个世纪后，2015年9月14日，位于美国华盛顿州和路易斯安那州的“先进LIGO”激光干涉仪首次探测到了黑洞合并事件，人类终于成功探测到的引力波信号GW150914。两年后，2017年10月3日，由于在引力波领域的突出贡献，美国麻省理工学院雷纳·韦斯（RainerWeiss）、加州理工学院基普·索恩（KipThorne）和巴里·巴里什（BarryBarish）被授予2017年诺贝尔物理学奖。刘慈欣的小说《朝闻道》中，掌握宇宙终极理论的外星文明“排险者”造访了地球，至于排险者如何得到这本终极真理，答案就是引力波。可以说，引力波的证实开启了一个全新的时代，如今，随着对于引力波研究的日渐深入，以光速传播扰动时空也让人们离宇宙真理更近...来自：雷锋频道：@kejiqu群组：@kejiquchat投稿：@kejiqubot