解码引力波信号 “弦外之音”验证黑洞“无毛”形象

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  NASA

  金 凤

  在宇宙中,也能吞噬一切光线和物质的黑洞,像原来神秘莫测的影子。百余年来,它频频被人类所“察觉”,却又老要难以理解。4年前,原来黑洞合并产生的引力波信号被捕捉到,科学家将引力波转化成声波,人类开始“听”到黑洞。兩个月前,全球多地天文学家同步敲定首张黑洞真容,人类终于“看”到了黑洞。

  近日,人类再次破译黑洞密码。科研人员在《物理评论快报》刊文称当有人有人有人有人“听懂”了原来新生黑洞的“声音”。并发现通过分析你這個 “发声”模式的形状,能不到得到黑洞的质量和自旋。你這個 结果,与用或多或少法子 分析黑洞合并产生的引力波信号得到的新生黑洞的质量和自旋一致,进而证明了爱因斯坦广义相对论是正确的,黑洞作为“秃顶巨人”的无毛定理,也被验证。

  “钟响”中蕴藏黑洞属性

  30多年前,爱因斯坦的广义相对论曾预言,肯能原来黑洞在宇宙中碰撞,会合并产生原来新的黑洞,其诞生后的“振动”,即引力波,就像被撞击的钟一样,产生反向声波向外传播。然而,30多年过去了,新生黑洞及其产生的引力波仍然是个谜团,迟迟未被人类窥探。

  2015年9月14日,科学家用美国激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到,在13亿光年外,原来黑洞相互绕转、扭曲地融合在一并,辐射出携带着黑洞的质量和自旋信息的引力波。你這個 事件被命名为GW30914。

  当科学家们消除探测器噪音并放大引力波信号后,当有人有人有人有人观察到了原来波形,该波形在衰减之总要很快增强。当有人有人有人有人都把你這個 信号转上加声音时,听到了同类 “唧唧”的声音。

  “引力波发出的‘唧唧’的声音是两种形象的比拟,它的波形和声波很同类 。”中科院紫金山天文台宇宙高能粒子加速和辐射研究团组首席科学家刘四明接受科技日报记者采访时说。

  在这次探测中,科学家们取舍,引力波是由原来巨大黑洞的合并触发的。信号的峰值、“唧唧”声中最响亮的部分,不要 我原来黑洞碰撞、合并成原来新黑洞的时刻。

  在之后的四年间,科学家们老要探测到引力波事件,但却老要未能从中解码黑洞的属性。

  刘四明打了个比方,“原来黑洞合并后生成的新黑洞产生的引力波,就像敲钟后的尾音,钟日后敲响时的声音最大,或者逐渐衰减。而尾音的频率与钟的大小有关,通过对声音的分析,就能不到反推钟的质量、材质等。

  层层涟漪具有不同震荡频率

  之不要 新生黑洞很肯能产生了它买车人的引力波,但科学家们认为,在原来黑洞最初碰撞的喧闹声中,它的信号“声音”太微弱,无法解读。

  然而,研究团队找到了两种新的法子 ,能不到在信号到达峰值后的瞬间提取出黑洞的“声音”。研究小组通过数据模拟,发现当信号到达峰值后,还存在着两种“弦外之音”——一组响亮而短暂的“声音”。当有人有人有人有人都将你這個 “弦外之音”纳入考量,重新分析信号数据后,发现当有人有人有人有人能不到成功地分离出来两种新的“声音”模式,两种新生黑洞发出的“声音”。

  研究人员将你這個 新技术应用于对GW30914的实际观测数据,分析表明,信号峰值后的几毫秒里,大约存在两种频率更低、衰减更快的“弦外之音”,并取舍了两种不同的“声音”模式,每两种“音调”和衰减数据都来源于新生黑洞。

  通过数值模拟,科学家们计算出了引力波的演化过程,进而取舍了黑洞的质量和自旋。科学家们还利用信号峰值日后的“声音”形状,取舍了新生黑洞的质量和自旋。

  “当有人有人有人有人检测到由多个频率组成的整体引力波信号,那先 信号以不同的传输速率逐渐消失,就像构成声音的不同音高一样。”该论文的第一作者、美国麻省理工学院的研究人员伊西表示,“每个频率或音调都对应于新黑洞的振动频率。”

  黑洞为什么我么我在么在在会发出不同振动频率的引力波?南京航空航天大学副教授李晋斌介绍,黑洞合并初期产生的引力波,就像向湖中投出一枚石子,石子的震荡在湖面形成不同的涟漪,不同的涟漪有不同的振动频率,最初的震荡最剧烈也最快,此时传递的能量也最大。

  “此前科学家对于黑洞较平静时的研究较多,对于其合并初期的研究较少,部分因为 是日后科学家认为强引力波的振动是来自于不要 非线性的模式混合,难以分析、提取,但此次的研究中,‘声音’之不要 是线性叠加,能不到把不同的振动频率分开研究。”李晋斌说。

  “音调”和衰减证明无毛定理

  在爱因斯坦看来,原来具有一定质量和自旋的黑洞,不到产生特定的“音调”和衰减。

  在此次研究中,科学家们利用广义相对论方程,计算了衰减的引力波信号和新生黑洞质量和自旋之间的关系。

  通过对观测数据比较,由原来黑洞合并后形成的新黑洞,重量约为68.兩个太阳质量。

  你這個 结果,与利用完正的引力波信号得到的新生黑洞的质量和自旋数据一致,也验证了黑洞的“无毛”定理。

  美国著名物理学家约翰·惠勒曾预言,黑洞不到两种可观察的形状,即质量、自旋和电荷。形成黑洞的天体,它们的“毛发”,即或多或少形状,都应该被黑洞吞噬。

  或者,黑洞算是有“毛发”,学者们肯能争论了几十年。爱因斯坦也提出了两种法子 来检验你這個 理论,当原来黑洞碰撞并形成原来新的黑洞时,产生的引力波在时空里中引起涟漪,关于新生黑洞的质量和自旋属性应该编码在其引力波的或多或少“音调”中。

  此次发表的论文,支持了黑洞“无毛”定理,并给出了黑洞的“发声”模式。那先 计算结果与日后买车人对黑洞质量和自旋的测量结果相吻合。

  “肯能科学家的计算结果与测量结果有明显偏差,就因为 黑洞产生引力波的模式之不要 仅仅依赖于质量、自旋和电荷,也就证明广义相对论预言的黑洞‘无毛’定理是错的。但恰恰相反,此次研究证明了利用引力波的特定频率和衰减率能不到测算出黑洞的质量和自旋。”刘四明说。

  不过,李晋斌认为,之不要 这是第原来直接验证“无毛”定理的实验测量,但受制于目前的观测、分析工具和分析能力,之不要 因为 就此证明了所有黑洞都没有 “毛发”。

  刘四明认为,肯能存在量子效应,爱因斯坦的理论肯能会不足准确。正如牛顿的引力理论在试图描述合并黑洞时完正不适用。

  或者,随着LIGO分辨率的提高以及未来更灵敏的仪器上线,研究人员将也能使用你這個 法子 “听到”更多或多或少新生黑洞的“声音”。

  “未来,当有人有人有人有人将在地球和太空中拥有更好的探测器,或者不仅能不到看了原来,还能不到看了数十种模式,并精确地测量出它们的属性。”伊西说,“肯能那先 全是黑洞,肯能它们是像虫洞或玻色子星更奇特的物体,它们肯能会以不同的法子 响起,当有人有人有人有人将有肯能‘听到’它们。”