爱因斯坦又对了！黑洞碰撞出不一样的引力波火花

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作者：世界顶尖科学家论坛
爱因斯坦又双叒叕对了！

引力波研究人员近日第一次捕捉检测到质量差异巨大的两个黑洞之间的碰撞。而碰撞产生出的引力波再次论证了爱因斯坦的重力理论和广义相对论，也为天体物理学和引力物理学开辟了新的前景。

质量相差三倍的两个黑洞发生碰撞 | 图片来自Nature

伊利诺伊州芝加哥大学的天体物理学家玛雅·菲什巴赫将这次碰撞称为“天体物理界的大事件”。玛雅称，过去捕捉到的类似活动都是发生在在质量大致相等的黑洞之间。

但是最新探测到的情况刷新了科学家的认知。发生碰撞的其中一个黑洞质量超过30个太阳质量，另一个黑洞的质量约为8个太阳质量。质量间的巨大不平衡使得较大的黑洞扭曲了周围的时空，使得另一方的轨迹偏离了理想的螺旋线。

通常情况下，两个螺旋旋转的黑洞会释放出集中在一个频率上的引力波：这个引力波频率是它们轨道频率的2倍。这种频率的倍增是由于两黑洞的质量相差不大。每绕半圈，它们就会回到等效于原来的位置。但是如果黑洞之间有着非常明显的质量差，那么根据广义相对论推测，它们也会在更高的频率上产生更弱的波，我们把这种波称为泛音。

这对质量悬殊的黑洞碰撞出的第二强振动频率是轨道频率的三倍，也是引力波主频率的1.5倍。如果主频率对应的音符是钢琴上的C键，那么泛音就对应了G。而泛音的强弱大致与广义相对论所预测的相符，再次论证了爱因斯坦的广义相对论。

这些打破既定认识的事件将有助于研究人员探究黑洞最初是如何形成的。而两个巨大的黑洞是如何在极其近距离内互相吸引组合在一起的，仍然是一个困扰科研人员的未解之谜。

对于黑洞的形成和配对，目前科学界有两种主流的猜测观点。一种观点认为这对黑洞可能来自于一对绕轨道运行的大质量恒星，每颗恒星在生命结束时都会坍缩成黑洞。也有学者猜测在所谓的动力学模型中，黑洞可能各自独立形成，并在宇宙中相互寻找，这种情况更有可能出现在球状星团中。

波兰科学院的引力理论家克里斯·贝尔琴斯基认为以上两种观点都可能导致此次质量不匹配的黑洞碰撞。“如果它(质量比)是10比1，我就赌动力学模型的猜测是正确的，”他说，”因为双星系统通常不会以这种扭曲的比例形成“。然而偶发的单项事件还不足以排除其中一种猜想。但是如果科研人员能偶探测到更多类似的质量不匹配情况，那么数学统计分布可以表明哪种观点的准确性更高。

但是约翰·霍普金斯大学的引力波天文学家埃曼努尔·贝尔蒂认为这次黑洞碰撞事件的起源可能更为复杂。一个黑洞比另一个黑洞重得多并且在快速旋转的情况“看起来像多代合并的产物”。

位于华盛顿州和路易斯安那州的一对激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和意大利比萨附近的处女座天文台，都对此次黑洞碰撞事件进行了探测，并将其命名为GW190412。

此前，人类借助LIGO于2015年9月首次发现了引力波，探测到两个黑洞螺旋状地相互碰撞，产生了微小的时空波纹。两年后，位于意大利的处女座探测器也加入了LIGO的阵营。截至2017年8月，LIGO共进行了十次探测活动：九次黑洞合并和一次中子星发生的碰撞。这些黑洞合并的探测结果有助于解释宇宙中化学元素的起源。

也许还有很多值得分析的反常情况隐藏在研究人员尚未分析的数十个已记录的事件中。从2019年4月1日到3月26日，LIGO和处女座的进行了3次观测，共接收到56次新的引力波事件。威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家、LIGO科学合作发言人帕特里克·布雷迪说，LIGO和处女座的研究人员曾计划对现有数据的一半进行一次全球分析，但是新冠病毒的蔓延暂时中止了计划实施的步伐。

“我急切地想看到数据分析的结果。”贝尔琴斯基说，“但是我现在只能和我的学生、团队坐在这里，一起盼望能早日看到这篇论文问世。”

(董则生对本文亦有贡献）

参考内容：

1. https://www.sciencemag.org/news/2020/04/gravitational-waves-reveal-unprecedented-collision-heavy-and-light-black-holes#

2. https://www.nature.com/articles/d41586-020-01153-7

图片来源：

https://media.nature.com/lw800/magazine-assets/d41586-020-01153-7/d41586-020-01153-7_17910610.jpg

原文地址：今日头条  ,无意在网上看到这篇文章，深有同感。所以分享。