@ 2019.09.23 , 12:00

倾听:新生黑洞弹奏的引力波和弦中的音节

当金属物品交击时,它们会振动一段时间,因为振动的金属会继续产生共鸣。并且,事实证明,当两个黑洞相撞时,也会发生类似的事情——只是把声波替换成了引力波,而新形成的黑洞会持续发出引力波。

那些引力波就像是一个和弦,一连串的音符。根据爱因斯坦的广义相对论,其中蕴藏着有关黑洞质量和角动量的信息。

现在,在全新实验中,一支天文学家团队已经想出如何甄别和弦中的个别音符——或者更确切地说,引力波中的频率——并且,首次听清其中的两个音符——原本我们以为,单纯应用现有的技术是不可能做到的事情。

现在,他们能够测量黑洞的质量和旋转信息。他们还能够推断出这些是黑洞中唯一可被检测到的属性——支持了著名的黑洞无毛定理,即黑洞的本质特征就是质量和自旋(相当于皮,所有其他属性都相当于毛发,皮之不存毛将焉附……好吧,据说无毛定理原意是用荤段子双关)。

麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的物理学家Maximiliano Isi说:“我们都认为广义相对论是正确的,但这是我们第一次以这种方式证实它。这是第一场直接成功地验证了无发定理的实验。它并不意味着黑洞不能长毛,而是说,无毛黑洞的物理图景又赢下一场。”

科学家将引力波转换为声波,产生类似“啁啾啁啾”的信号。

两个黑洞合并,有一段非常短暂的时期,新黑洞振荡,发出更微弱的引力波。这被称为振铃;科学家们普遍认为它过于微弱,碰撞时的引力波峰值过后,难以检测或分析。

此前,加州理工学院的天体物理学家Matthew Giesler和同事通过模拟确定,在引力波峰值之后,振铃期包含一个“泛音”的杂音——响亮、短暂的音调。通过分析泛音背景下的碰撞振动,团队可以由此抽离出新黑洞的响亮“签名”。

Isi和他的团队完成了这项工作,并将其应用于GW 150914,专注于啾啾唧唧之后的那一刻。他们能够锁定振铃特征——甚至可以识别出两个不同的音调,对应于新黑洞的不同振动频率。

康奈尔大学的理论天体物理学家Saul Teukolsky说:“这是一个非常令人惊讶的结果。传统观点认为,当残余黑洞最终稳定下来,使我们能够检测到振动频率时,泛音几乎就完全衰消了。现在,事实证明恰恰相反,在主音变得可见之前,泛音是可以检测到的。”

爱因斯坦预言,黑洞碰撞的振铃中,音调的音高和衰减将由新黑洞的质量和旋转信息直接决定。该团队能够测量两个音调的音高和衰减,从而使他们能够探测黑洞的特性。

从音调的音高和衰减计算出的质量和自旋与先前的测量结果相匹配,证明了当前的方法可以完成对黑洞振铃泛音的检测,而未来的测量技术将会更加强大。

Isi说:“如果这些不是爱因斯坦预言的黑洞,如果它们是如同虫洞或玻色子星等更为奇特的天体,它们的振铃方式就会有所不同,我们也能借此发现它们。”

该研究发表在Physical Review Letters上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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