揭开黑洞合并的奥秘:打开了解生生不息宇宙的一扇窗

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-07-08 08:37:10 | 作者: | 来源:新浪科技 | 浏览:1275次 ]

天文学家努力揭开黑洞合并奥秘

新浪科技讯 北京时间7月7日消息,据国外媒体报道,如今我们已能探测到引力波的存在,新一代观星者开始把注意力投向宇宙,利用敏感度极高的天文台进行观测。采用引力波探测器,我们将对自己在宇宙中所处的位置产生全新的认识。

虽然有新技术的帮助,但这些技术仍然敏感度欠佳。因此我们只能观测到规模最大、最令人不快的事件:黑洞合并。目前为止,美国激光干涉引力波天文台(简称LIGO)已经探测到了三次半黑洞合并,其中第三次刚好位于可探测到的边缘,因此尚未确定。这些黑洞比想象中还要大,不禁引人深思:这些黑洞是第一次合并呢?还是已经经历了数次合并呢?

如今,科学家们提出了一种或能确定这些黑洞是否为首次合并的方法。

寿终正寝

黑洞是恒星的终极结局。恒星质量巨大。随着恒星物质向内挤压,产生的高温和高压足以引发核聚变。核聚变的产物之一便是能量,可提供足够的推力、平衡恒星向内坍缩的趋势。但这只是骤变前短暂的平静。在高温下,氢变为氦,并进一步转化为锂和铍……以此类推,直到恒星的核心形成铁元素。发展到这一程度,核聚变便会终止,引力开始发挥作用,使所有物质都向内坍缩。

如果恒星质量较小,坍缩规模也较小,恒星就像一块燃尽的煤炭一样,静静地转化为白矮星。如果质量较大,恒星便会发生剧烈爆炸,转变为中子星;而如果质量足够大,便会变为黑洞。这是宇宙中密度最大的两种天体。

但物质的转化并不会就此止步。所有天体都在太空中四处漂移,且会互相吸引。如果离得过近,中子星和黑洞就会吸收彼此的物质(也许还有附近的其它天体,如白矮星)。这可以使中子星获得足够的质量、向黑洞转化,或让已经形成的黑洞进一步增大。那么,当我们观测到两个黑洞合并时,能否判断这是否为它们的首次合并呢?

质量分布

判断方法之一是考察其质量分布。每个黑洞都有质量下限,若小于这一下限,黑洞就无法形成。此外,虽然部分恒星质量可高达太阳的200倍以上,但并非所有恒星都会形成黑洞。因此研究人员将形成黑洞的恒星质量下限定为太阳质量的50倍。黑洞形成后,会遇到其它黑洞,进一步扩大自身规模。每个黑洞此前吞没的黑洞数量会影响它在未来合并中的质量比。

为确定这在实际观测结果中究竟意味着什么,该研究团队分析了黑洞在经历数次合并后、质量分布会如何变化。假设死去的恒星形成的黑洞为第一代,两个第一代黑洞合并形成第二代。在此之后有两种可能:一个第二代黑洞和一个第一代黑洞发生合并,或者两个第二代黑洞发生合并。

但在此之后发生的一切都取决于第一代黑洞的特性。由于我们缺乏黑洞数据,研究人员从黑洞的质量和旋转分布中选取了一个范围区间,并将该范围内的黑洞随机两两合并,计算出最终的质量、旋转速度和合并后的质量比。这就为研究提供了第二代黑洞数据。通过这种方法,研究人员获得了两组黑洞,质量和旋转速度分布范围各有不同。

接下来,研究人员再将这两组黑洞(两个第二代黑洞,或一个第一代黑洞和一个第二代黑洞)进行随机合并,又生成了两组质量分布不同的黑洞。

有了这些数据,研究人员还能计算出这些黑洞合并的大致时间。第二代黑洞之间的合并一定发生在第一代黑洞合并之后,也就是说,与第一代黑洞合并相比,我们观察到的第二代黑洞合并时间距我们更近。

现在来总结一下:我们从预计的质量和旋转速度分布着手,得出了合并过程中的三种质量比预计分布结果,以及旋转速度的预计分布结果。这些分布结果应当在过去的不同时期表现出来(同时有所重叠)。问题是,我们究竟能否观测到它们呢?

答案很可能是肯定的。据研究人员称,在计算了约20个黑洞合并过程后,我们应当能区分出两个第一代黑洞的合并和两个第二代黑洞的合并。而要分辨出第二代黑洞与第一代黑洞的合并,则需要再进行100多次观测。

这只是就目前的设计精度而言。假如LIGO天文台和欧洲引力波天文台(Virgo)的升级顺利进行,敏感度有所提高,上述工作难度便会大大降低。此外,升级后的硬件设备将对远古时期发生的黑洞合并更加敏感,使科学家得以扩大质量分布范围。

我们从中能有何收获呢?这些研究为我们打开了一扇窗口,让我们更好地了解生生不息的宇宙、以及宇宙中的黑洞。我们将观测到不同等级的黑洞合并,以及不同代际的黑洞。这些观测结果将以前所未有的方式,对现有的天体物理学模型进行测试。

Tags:黑洞  LIGO   引力波 合并

责任编辑:zhangms

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