黑洞合并产生的引力波有助于检验广义相对论

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模拟显示了两个黑洞的合并。(图片鸣谢:SXS(模拟极端时空)项目)

（）据美国太空网（罗伯特·李）：科学家们发现了源于黑洞合并事件的引力波，这表明产生的黑洞稳定地形成了一个稳定的球形。这些波也揭示了组合黑洞可能比先前认为的要大得多。

当2019年5月21日首次探测到被称为GW190521的引力波事件时，人们认为它来自两个黑洞的合并，一个质量相当于85个太阳，另一个质量相当于约66个太阳。科学家认为合并因此产生了大约142个太阳质量的子黑洞。

然而，最新研究的来自合并产生的黑洞的时空振动，随着空洞分解成适当的球形，向外波动，似乎表明它比最初预测的更大。根据计算，它的质量应该是太阳的250倍，而不是142个太阳质量。

这些结果最终可以帮助科学家更好地检验广义相对论，这是阿尔伯特·爱因斯坦1915年提出的引力理论，首次引入了引力波和黑洞的概念。“我们真的在探索一个新的领域，”加州大学的理论物理学家史蒂文·吉丁斯在一份声明中说。

引力波和广义相对论

广义相对论预测，具有质量的物体会扭曲空间和时间的结构——统一为一个单一的四维实体，称为“时空”——我们所感知的“引力”来自曲率本身。

就像放在拉伸橡胶片上的保龄球会比网球造成更大的“凹痕”一样，黑洞会比恒星造成更大的时空弯曲，恒星会比行星造成更大的弯曲。事实上，在广义相对论中，黑洞是一个密度如此之大的物质点，它导致时空弯曲如此之大，以至于在一个称为事件视界的边界上，甚至连光都无法以足够快的速度逃离向内的凹陷。

然而，这并不是广义相对论唯一的革命性预测。爱因斯坦还预测，当物体加速时，它们会使时空结构产生被称为引力波的涟漪。同样，涉及的物体质量越大，这种现象就越极端。这意味着，当像黑洞这样的致密天体围绕着彼此旋转，由于它们的圆周运动而不断加速时，时空就像一个被敲响的钟一样围绕着它们，伴随着引力波嗡嗡作响。

时空中的这些波纹带走了螺旋黑洞的角动量，这反过来导致黑洞的相互轨道收紧，将它们拉在一起，增加了发射的引力波的频率。黑洞越来越近，最终合并，产生了一个子黑洞，并发出高频引力波“唧唧”声，在宇宙中回荡。

但是关于引力波，爱因斯坦犯了一个错误。这位伟大的物理学家认为，时空中的这些涟漪会非常微弱，以至于在穿越宇宙数百万甚至数十亿光年后，它们永远不会在地球上被检测到。

然而，2015年9月，位于华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台(LIGO)的双探测器显示爱因斯坦是不正确的。他们探测到GW150914，这是与位于约13亿光年外的黑洞合并有关的引力波。引力波信号是通过LIGO 2.5英里(4公里)长的激光臂的长度变化检测到的，相当于一个质子宽度的千分之一。

值得注意的是，自那以后，LIGO和它的引力波探测器伙伴，意大利的Virgo和日本的KAGRA，已经探测到了更多这样的事件，达到了每周探测一次引力波事件的地步。虽然，即使在这个引力波探测的聚宝盆中，GW190521也很突出。

一个特殊的引力波事件



模拟黑洞合并事件，创造了一个质量为太阳250倍的黑洞。(图片鸣谢:Virgo处女座)

GW190521信号背后的两个黑洞的合并频率非常低，只有在黑洞的最后两个轨道期间，频率才变得足够高，达到LIGO和处女座的灵敏度极限。

这项新调查背后的团队——不属于Virgo处女座合作的一部分——想知道这些黑洞的暴力碰撞和合并的信息可能被锁定在这个信号中。

他们发现，黑洞碰撞的瞬间，产生的黑洞具有不平衡的形状。黑洞只有在呈球形时才是稳定的，这意味着在合并的几毫秒内，子黑洞将不得不呈现球形。

正如钟的形状决定了它响起的频率一样，该团队表示，随着这个新黑洞改变形状并稳定下来，它发出的引力波的频率也发生了变化。这些所谓的“环降”引力波包含了关于子黑洞质量的信息，以及它的旋转速度。

这意味着这种合并产生的环降引力波为科学家提供了一种测量合并黑洞属性的替代方法，这与使用螺旋过程中产生的引力波的传统方法形成了对比。

研究小组在引力波信号GW190521中发现了两个独立的衰荡频率，当把它们放在一起考虑时，产生的黑洞的质量是250个太阳质量。这意味着它比用螺旋引力波估计的要大得多。对这些衰荡引力波的探测甚至让这些发现背后的团队都感到震惊。

“我从来没有想过我会在有生之年看到这样的测量，”该研究的合著者、拉德布大学的物理学家巴德里·克里希南说。

该小组的研究详细发表在11月28日的《物理评论快报》上。