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兩個黑洞合並為何如此困難?也許是動摩擦惹的禍

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發表於 2018-8-11 13:22:33 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源: 新浪科技

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物理學家認為黑洞合並時會產生引力波,這在這張藝術家繪制的概念圖中也有所體現。

  新浪科技訊 北京時間8月10日消息,據國外媒體報道,天文界也可以發生經典的浪漫故事:兩個黑洞相遇了,彼此之間立即產生了吸引力。它們圍着對方跳起舞來,越轉越近,直到……
  直到什麼?就像任何愛情故事一樣,一到了這個階段,問題便會應運而生。
  愛因斯坦的廣義相對論最先提出了對黑洞的預測。黑洞就像時空中的無底洞,像一口引力之井。任何事物都無法從中逃脫,就連光線也不例外。小型黑洞的質量只有太陽的幾倍,像地雷一樣靜靜埋伏在宇宙的各個角落。而超大質量黑洞則占據着各個星系的核心位置,如吸塵器一般、將周圍的物體盡數吸入。這些巨型黑洞的質量高達太陽的數億倍。天文學家認為,它們是由一系列星系合並形成的。在宇宙早期,可能有數十個、甚至數百個星系紛紛聚集到一起,形成了如今的局面。
  “根據我們對宇宙結構形成過程的認識,小星系會合並成大星系,大星系又會合並成更大的星系。”美國俄亥俄州奧柏林學院物理學家羅伯特·歐文(Robert Owen)解釋道。每次合並都要經歷數億年、甚至更久,因此我們無法直接觀察到這一過程。但理論學家可以通過計算機模擬重現整個合並過程。
  麻煩就出在這里。物理學家運行模擬時,兩個正在合並的星系中央的黑洞竟然卡住了。黑洞極少會正面相撞。由於它們相遇時的路徑不同,受角動量守恆的影響,它們會旋轉着靠近對方。受彼此的引力吸引,兩個黑洞會越挨越近,直到之間僅剩1秒差距(秒差距:天文學單位,約合3光年),二者卻又像羞澀的戀人一樣,不肯再靠近一步了。
  為何會這樣呢?歐文打了個比方:把你的手想象成其中一個黑洞。把手放在一桶水中,讓水旋轉起來,就像正在合並的星系物質一樣。水一開始會阻礙手的運動,迫使手的速度減慢。在太空中,這種引力作用名叫動摩擦,會降低黑洞的角動量,導致其逐漸向另一個黑洞移動。但過了一會兒,水的旋轉方向便會與你的手保持一致了,因此手受到的阻力也會減小。而在模擬的星系合並過程中,恆星和其它天體也會根據兩個黑洞的旋轉方向改變運動路徑。此時動摩擦逐漸減小,兩個黑洞也就在新軌道上穩定了下來,不會再改變位置。
  若物理學家對宇宙的形成過程理解無誤,這樣成對的黑洞最終應當會彼此相撞、融為一體才對。但要實現這一點,它們必須先設法減去足夠的能量,才能繼續靠近對方、跨過最後這1秒差距。一旦兩個黑洞靠得非常近之後(僅相隔幾十億公里,約0.001秒差距),根據廣義相對論,剩下的角動量便會隨着不斷加強的引力波逐漸消失,將兩個黑洞推到一起。這一過程可能會經歷幾小時、幾天、甚至幾年不等,具體取決於黑洞質量有多大。
  究竟是什麼力量推動了這一“致命擁抱”呢?這便是所謂的“最後的1秒差距問題”。解答該問題不僅是為了滿足我們的好奇心,還可改變我們對宇宙結構形成過程的理解、以及對引力本質的認識。因此在物理學家模擬黑洞運行的同時,天文學家也在觀察夜空,試圖找到黑洞解決“最後的1秒差距問題”的線索——假如它們真能解決的話。
  在過去的30年間,天文學家已經發現了數百個含有兩個超大黑洞的星系,且這些黑洞處在不同的合並階段。但即使是“最親密的”一對黑洞,彼此之間也隔了幾千秒差距。“要找到比這還近的黑洞就困難得多了。”加州理工學院計算科學家馬修·格雷厄姆(Matthew Graham)指出。就算是地球上最大的望遠鏡,也達不到這么高的分辨率。
  因此格雷厄姆和同事們決定走一條間接路線,利用閃爍的類星體光線進行觀測。脈沖星是巨大、古老的星系極為明亮的內核部分。物質圍繞星系中央的超大質量黑洞旋轉時,會逐漸累積成一個圓盤狀結構。這個圓盤的角動量會將其部分質量轉化為輻射,使星系發出耀眼的光芒。由於氣體和塵埃落入圓盤時並不連貫,類星體的光芒也會隨之變化不定。
  但2013年末,科學家卻發現了一個與眾不同的類星體。格雷厄姆和同事們利用“卡塔琳娜實時瞬變調查”10年來收集的數據,找到了一個奇特的信號來源,竟有着可以預測的變化規律。這個類星體名為PG 1302-102,距地球約35億光年。它似乎會穩定地變亮、再變暗,每隔五年半便重復一次,就好像有人在慢慢操控亮度控制開關一樣。


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天文學家已經發現了一些正處在合並過程中的成對星系,如圖中的NGC 4676。

  是什麼造成了這種循環呢?格雷厄姆表示:“我們提出了四五種不同的物理解釋。”比如說,另一個超大質量黑洞的運行可能會定期改變該類星體輻射的朝向,或者可能使塵埃盤中旋轉的物質發生扭曲,從而使其亮度發生周期性變化。這些解釋都有一點共同之處:只有當類星體PG 1302-102中央的黑洞的確由兩個黑洞構成時,才可以說得通。
  距格雷厄姆和同事們估計,如果類星體PG 1302-102中央的確存在雙黑洞系統,兩者間隔可能只有0.01秒差距。另一項由哥倫比亞大學開展的研究甚至提出了更小的猜測,僅有0.001秒差距,約相當於太陽系的直徑。到了這種程度,兩個黑洞應當已經在“寬衣解帶”(脫掉的其實是引力波),就差沒撲進對方懷中了。只要研究人員讀取的PG 1302-102信號無誤,那麼無論是哪種情況,都能說明同一個問題:大自然已經解決了“最後的1秒差距問題”。
  格雷厄姆和同事們目前已在卡塔琳娜項目數據庫中找到了100多個可能包含雙黑洞系統的類星體,兩個黑洞之間的距離都遠小於1秒差距。若這些猜測得到證實,科學家便可對這場“合並大戲”神秘的最終章來一次“驚鴻一瞥”。
  然而,要想弄清相隔很近的兩個黑洞是如何離開穩定軌道、實現最終合並的,也許還需要我們以全新的方式看待宇宙。“我們現在只是借電磁波瞎試探而已。”歐文這樣描述科學家們利用傳統望遠鏡尋找雙黑洞系統的做法。從理論上來說,黑洞合並釋放出的能量應相當於超新星爆發的1億倍,但這些能量全都以引力波、而非光線的形式存在。“我們要學會用‘眼睛’去‘聽’,就好像通過鼓面的振動判斷鼓在發聲、而不是通過鼓聲來判斷一樣。”
  通過引力波觀察黑洞合並可以使情況清晰明了許多。“從星系中央發出的光線往往會被氣體和塵埃雲吸收、重新發射、或者散射開來,導致我們看到的情景昏暗而扭曲。”加州理工學院與馬克斯·普朗克射電天文學研究所的天體物理學家基婭拉·明加雷利(Chiara Mingarelli)解釋道,“而引力波則不受氣體和塵埃影響,可以徑直穿過。”
  然而,探測引力波也絕非易事。引力波天文學尚在起步階段,況且就連LIGO這樣的頂級天文台敏感度也不夠高,無法探測到天文學家懷疑雙黑洞系統合並時發出的、緩慢振盪的引力波。
  因此研究人員決定換一種途徑,利用大自然提供的“望遠鏡”——毫秒脈沖星進行探測。這種天體是恆星爆炸後留下的“遺骸”,密度極高、轉個不停。它們就像海面上的浮標一樣,以原子鍾般的精確度,定期向地球發射一道射電波。當遙遠星系中的兩個黑洞正在跨越最後的1秒差距時,產生引力波可對這些毫秒脈沖星發出的信號造成干擾。因此通過觀察銀河系中數十個毫秒脈沖星的信號變化,天文學家便能判斷它們是否受到了引力波的影響。
  這些射電波的光譜特徵將提供一系列重要數據,幫助物理學家測試或完善黑洞合並模型。威斯康星大學密爾沃基分校研究生約瑟夫·西蒙(Joseph Simon)指出:“要想了解兩個黑洞在跨越最後1秒差距時究竟發生了什麼,弄清這位終極‘幕後推手’的身份,脈沖星測時陣列是我們唯一可用的工具。”

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而就算探測不到引力波,也可作為一條重要線索。西蒙指出,歷經了將近十年的計時,脈沖星測時陣列的敏感度“終於達到了足夠高的水平,就算什麼都沒探測到,也能透露一些重要信息。”這些測時陣列至今一無所獲,說明理論學家對黑洞跨過最後1秒差距後經歷的猜想可能存在誤區。黑洞的部分能量也許不會以引力波的形式發散出去,而是通過與鄰近恆星和氣體的某種未知相互作用消散掉了。也許黑洞會將接近自己的恆星遠遠甩出,或者黑洞的引力會使周圍的塵埃氣體盤發生扭轉。若物理學家能弄清這種能量消散機制,也許就能解釋黑洞是如何跨過最後這1秒差距的了。  物理學家的精心計算將使他們有機會檢驗愛因斯坦的預言。正如歐文所說:“我們談起廣義相對論時,就好像它已經被徹底驗證了一樣。”但科學家還從未在黑洞合並這樣的極端引力事件中檢驗過該理論。此類事件與牛頓物理法則相去甚遠,我們熟悉的能量、動量和質量等概念也失去了原本的意義。假如黑洞合並發出的引力波的確比廣義相對論預言的弱,也許是時候該做些修改了。
  了解黑洞“愛情故事”的最終目的還是為了更好地認識地球,弄清我們所處的引力波環境究竟是一片“汪洋大海”,還是一條“涓涓細流”。歐文指出:“這其實是兩種截然不同的‘時空海洋’,一個風平浪靜,一個波濤洶涌。”

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