引力波源二重唱,黑洞相伴不單調

                          2018-09-21 14:09:36 來源: 科學網 作者: 任芳言

                          宇宙中存在大大小小的黑洞,有的會彼此纏繞、碰撞,上演“大魚吃小魚”的戲碼。引力波的產生也與此有關,人類迄今探測到的引力波源頭,大多是兩個恒星級黑洞發生并合造成的。

                          以往的研究指出,能夠發生碰撞、并輻射出引力波的波源,往往是兩個黑洞在跳“雙人舞”。而兩名青年天文學家的最新研究顯示,引力波源也可能由“一大二小”三個黑洞組成。

                          今年9月,北京大學物理學院天文系助理教授陳弦和中科院上海天文臺研究員韓文標在自然子刊《通訊物理》上發表了他們的研究成果。論文通過計算和模擬,闡釋了一種能夠同時輻射出高低兩種頻率的引力波源。

                          一山容二虎

                          以太陽質量為衡量標準,宇宙中的大黑洞可達數百萬太陽質量,被稱為超大質量黑洞。小黑洞質量可達數十個太陽,被稱為恒星級黑洞。

                          小黑洞圍繞大黑洞旋轉,就會輻射萬分之一到百分之一赫茲的低頻引力波。在天體物理學中,這樣的組合被稱為極端質量比旋進系統(extreme-mass-ratio inspiral,簡稱EMRI)。

                          韓文標告訴《中國科學報》記者,大黑洞與小黑洞結成對子,還要經歷一個捕獲過程。

                          “有的小黑洞不太幸運,可能被宇宙中其他的黑洞‘踢了一腳’,正好被撞到超大黑洞的捕獲區域里。這樣一大一小兩個黑洞就‘跳起了舞’,并輻射引力波。隨著引力波的輻射,它們之間的距離越來越近,直到小黑洞被大黑洞吞噬,這個過程很漫長,可能要幾百萬年甚至上億年。”韓文標說。

                          在陳弦與韓文標的研究模型中,這種“不太幸運”的小黑洞可能有兩個,而且這兩個小黑洞很早就已經被引力束縛、繞轉。

                          兩個小黑洞作為一個整體,與超大質量黑洞一起,跳起了“三人舞”,形成了極端質量比旋進雙星系統(binary extreme-mass-ratio inspiral,簡稱b-EMRI),

                          以往的研究認為,兩個恒星級黑洞要么被大黑洞的潮汐作力拆散,要么在很早的時候就發生并合,很難在超大質量黑洞的捕獲范圍內長時間共生。

                          但兩位研究者通過數值模擬分析發現,“一山”仍有可能容下“二虎”。兩個小黑洞作為一個互相吸引的整體,有可能在大黑洞的捕獲范圍內存活相當長的一段時間。

                          殊途同歸

                          以往研究認為,小黑洞圍繞大黑洞形成的引力波源,只會輻射出毫赫茲頻率的引力波。但在b-EMRI系統中,事情沒這么簡單。

                          韓文標表示,恒星級雙黑洞繞轉超大黑洞,輻射的是千分之一赫茲的低頻引力波。當雙黑洞繞到大黑洞附近,受潮汐力影響會發生并合,從而輻射出幾十到數百赫茲的高頻引力波。

                          “也就是說同一個引力波源既能輻射低頻引力波,也能輻射高頻引力波。就像二重奏,有高和低兩個聲部。”陳弦打了個比方。

                          “與其說‘看’,我們探測引力波更像是用耳朵聽聲音。因為測量的是震動幅度,看時空扭曲的有多厲害”,陳弦表示。

                          因此,若能確定空間探測器識別到的低頻引力波,與地面探測器識別到的高頻引力波同時來自同一個位置,就能找到b-EMRI。

                          陳弦表示,現有技術條件下,人們利用地面探測器識別到的高頻引力波信號,其實是恒星級黑洞在合并的最后階段時發出的,因此持續時間非常短暫。“可能只有一秒甚至十分之一秒”,他說。

                          而對黑洞并合之前的,持續時間長、頻率較低的引力波,現有的探測設備還無法識別到。也就是說,目前我們還無法真正聽到來自遙遠宇宙的引力波“二重奏”。

                          再上新臺階

                          但想聽引力波“合唱”并非遙不可及。除了目前已經觀測到引力波的地面探測器LIGO、Virgo外,計劃于2034年左右發射的空間探測器LISA,以及中國正在計劃的“太極”、“天琴”等空間探測項目能夠更好地排除地面震動噪聲的干擾,在未來探測到宇宙中的低頻引力波。

                          事實上,在空間引力波探測器真正投入使用之前,就有不少科學家對b-EMRI系統很感興趣。

                          今年4月的LISA科學大會上,來自英國伯明翰大學、LISA天體物理組負責人Alberto Sesana在科學高光報告中討論了b-EMRI。5月底的中國物理學會引力與相對論天體物理分會上,中科院“空間太極計劃”報告者羅子人在特邀報告中也表示了對b-EMRI系統的關注。

                          兩位論文作者還表示,若能真的探測到b-EMRI系統輻射出的兩種頻率的引力波,會帶來豐富的物理和天文學信息,比如對引力波天體物理參數的測量會更精確。

                          除了研究星系動力學外,還可以對黑洞并合后的引力反沖現象做進一步研究。引力反沖速度、引力波攜帶的動量以及黑洞并合造成的質量損失等都可以被精確測量。

                          圖說:b-EMRI系統運行的三個階段:1.兩個恒星級黑洞進入超大質量黑洞的捕獲范圍;2.受引力波影響,恒星級雙黑洞的運行軌道逐漸圓化;3.超大質量黑洞對恒星級黑洞的“控制力”增強,使其并合并發出高頻引力波(圖片來源:Communications Physics)。

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                          責任編輯:范琪
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