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,要能吞噬一切光线和物质的黑洞,像好几个 多神秘莫测的影子。百余年来,它频频被人类所“察觉”,却又经常难以理解。4年前,好几个 多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,人类结束了“听”到黑洞。好几个 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》刊文称亲戚亲戚大伙“听懂”了好几个 多新生黑洞的“声音”。并发现通过分析你这名“发声”模式的特征,都不到得到黑洞的质量和自旋。你这名结果,与用有些法律辦法 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”中中有 黑洞属性

  50多年前,爱因斯坦的广义相对论曾预言,肯能好几个 多黑洞在宇宙中碰撞,会合并产生好几个 多新的黑洞,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,50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,好几个 多黑洞相互绕转、扭曲地融合在共同,辐射出携带着黑洞的质量和自旋信息的引力波。你这名事件被命名为GW50914。

  当科学家们消除探测器噪音并放大引力波信号后,亲戚亲戚大伙观察到了好几个 多波形,该波形在衰减好几个 多多会很快增强。当亲戚亲戚大伙把你这名信号转加进去声音时,听到了累似 “唧唧”的声音。

  “引力波发出的‘唧唧’的声音是有一种形象的移觉,它的波形和声波很累似 。”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,科学家们选泽,引力波是由好几个 多巨大黑洞的合并触发的。信号的峰值、“唧唧”声中最响亮的次责,时候 好几个 多黑洞碰撞、合并成好几个 多新黑洞的时刻。

  在时候的四年间,科学家们经常探测到引力波事件,但却经常未能从中解码黑洞的属性。

  刘四明打了个比方,“好几个 多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,钟好几个 多多敲响时的声音最大,为什么我么我让逐渐衰减。而尾音的频率与钟的大小有关,通过对声音的分析,就都不到反推钟的质量、材质等。

  层层涟漪具有不同震荡频率

  我觉得 新生黑洞很肯能产生了它我所有人的引力波,但科学家们认为,在好几个 多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,研究团队找到了有一种新的法律辦法 ,都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,还地处着有一种“弦外之音”——一组响亮而短暂的“声音”。当亲戚亲戚大伙将你这名“弦外之音”纳入考量,重新分析信号数据后,发现亲戚亲戚大伙都不到成功地分离出来有一种新的“声音”模式,有一种新生黑洞发出的“声音”。

  研究人员将你这名新技术应用于对GW50914的实际观测数据,分析表明,信号峰值后的几毫秒里,最少地处有一种频率更低、衰减变快的“弦外之音”,并选泽了有一种不同的“声音”模式,每有一种“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,进而选泽了黑洞的质量和自旋。科学家们还利用信号峰值好几个 多多的“声音”特征,选泽了新生黑洞的质量和自旋。

  “亲戚亲戚大伙检测到由多个频率组成的整体引力波信号,有有哪些信号以不同的速度逐渐消失,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。”

  黑洞为什么我么我么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,次责原因分析分析是好几个 多多科学家认为强引力波的振动是来自于时候 有非线性的模式混合,难以分析、提取,但此次的研究中,‘声音’我觉得 是线性叠加,都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,好几个 多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,由好几个 多黑洞合并后形成的新黑洞,重量约为68.好几个 太阳质量。

  你这名结果,与利用完全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,黑洞不到有一种可观察的特征,即质量、自旋和电荷。形成黑洞的天体,它们的“毛发”,即有些特征,都应该被黑洞吞噬。

  为什么我么我让,黑洞算是有“毛发”,学者们肯能争论了几十年。爱因斯坦也提出了有一种法律辦法 来检验你这名理论,当好几个 多黑洞碰撞并形成好几个 多新的黑洞时,产生的引力波在时光英文中引起涟漪,关于新生黑洞的质量和自旋属性应该编码在其引力波的有些“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。有有哪些计算结果与好几个 多多我所有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,就原因分析分析黑洞产生引力波的模式并不仅仅依赖于质量、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都不到测算出黑洞的质量和自旋。”刘四明说。

  不过,李晋斌认为,我觉得 这是第好几个 多直接验证“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,并不原因分析分析就此证明了所有黑洞都没法 “毛发”。

  刘四明认为,肯能地处量子效应,爱因斯坦的理论肯能会地处问题准确。正如牛顿的引力理论在试图描述合并黑洞时完全不适用。

  为什么我么我让,随着LIGO分辨率的提高以及未来更灵敏的仪器上线,研究人员将要能使用你这名法律辦法 “听到”更多有些新生黑洞的“声音”。

  “未来,亲戚亲戚大伙将在地球和太空中拥有更好的探测器,为什么我么我让不仅都不到看到好几个 多,还都不到看到数十种模式,并精确地测量出它们的属性。”伊西说,“肯能有有哪些都是黑洞,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律辦法 响起,亲戚亲戚大伙将有肯能‘听到’它们。”