2019-09-12 06:46:01
科学家们首次发现了新生黑洞的响声

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如果阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论理论成立,那么一个黑洞,就是由两个巨大黑洞的宇宙震动碰撞而产生的,它本身应该在后果中“响起”,产生引力波,就像一个敲击的钟声反复声波。爱因斯坦预测,这些引力波的特定俯仰和衰减应该是新形成的黑洞质量和自旋的直接特征。

现在,来自麻省理工学院和其他地方的物理学家第一次“听到”了婴儿黑洞的响声,并发现这种振铃的模式确实可以预测黑洞的质量和旋转 - 更多证据表明爱因斯坦是正确的一直。

今天发表在“物理评论快报”上的调查结果也支持黑洞缺乏任何“头发”这一观点 - 这个比喻指的是根据爱因斯坦的理论,黑洞应该只展示出三种可观察的属性:质量,旋转和电荷。物理学家约翰·惠勒称之为“头发”的所有其他特征都应该被黑洞本身吞噬,因此是不可观察的。

该团队今天的研究结果支持黑洞实际上是无毛的想法。研究人员能够识别出黑洞振铃的模式,并利用爱因斯坦方程计算了黑洞应该具有的质量和旋转,并给出了振铃模式。这些计算与其他人先前制作的黑洞质量和旋转的测量值相匹配。

如果团队的计算与测量结果有很大差异,那么就会发现黑洞的振铃编码除了质量,旋转和电荷之外的其他特性 - 物理学的物理证据超出了爱因斯坦的理论所能解释的范围。但事实证明,黑洞的振铃模式是其质量和旋转的直接标志,支持黑洞是光秃面巨人的观念,缺乏任何无关的毛发般的特性。

“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,”该研究的主要作者,马克西米利亚诺伊斯,麻省理工学院卡夫利天体物理学和空间研究所的美国宇航局爱因斯坦研究员说。 “这是第一个成功直接测试无头发定理的实验测量。它并不意味着黑洞不能有头发。这意味着没有头发的黑洞图片会再存在一天。”

唧唧喳喳,解码

2015年9月9日,科学家首次发现了引力波 - 时空中无限小的涟漪,来自遥远的,暴力的宇宙现象。这种名为GW150914的探测器是由激光干涉仪引力波天文台LIGO制造的。一旦科学家清除了噪声并放大了信号,他们就会观察到一种波形在快速消失之前迅速逐渐消失。当他们将信号转换成声音时,他们听到了类似“唧唧”的声音。

科学家们确定引力波是由两个巨大黑洞的快速刺激所引发的。信号的峰值 - 啁啾最响亮的部分 - 与黑洞相撞的那一刻相连,合并成一个新的黑洞。虽然这个婴儿黑洞很可能发出了它自己的引力波,但物理学家认为它的标志性声音在初始碰撞的喧嚣声中会变得太微弱而无法破译。

然而,Isi和他的同事找到了一种方法,可以在信号达到峰值后的瞬间提取黑洞的混响。在Isi的合着者Matthew Giesler领导的前期工作中,该团队通过模拟显示,这样的信号,特别是在峰值之后的部分,包含“泛音” - 一系列响亮,短暂的音调。当他们重新分析信号时,考虑到泛音,研究人员发现他们可以成功地隔离一个特定于新形成的黑洞的振铃模式。

在该团队的新论文中,研究人员将这项技术应用于GW150914检测的实际数据,在啁啾峰值之后立即集中于信号的最后几毫秒。考虑到信号的泛音,他们能够辨别出来自新婴儿黑洞的铃声。具体而言,他们确定了两种不同的音调,每种音调都具有他们能够测量的音调和衰减率。

“我们检测到由多个频率组成的整体引力波信号,这些信号以不同的速率逐渐消失,就像构成声音的不同音高一样,”Isi说。 “每个频率或音调对应于新黑洞的振动频率。”

倾听爱因斯坦以外的声音

爱因斯坦的广义相对论理论预测,黑洞引力波的俯仰和衰变应该是其质量和自旋的直接产物。也就是说,给定质量和旋转的黑洞只能产生一定音调和衰减的音调。作为对爱因斯坦理论的测试,该团队使用广义相对论方程来计算新形成的黑洞的质量和自旋,给出它们检测到的两个音调的音高和衰减。

他们发现他们的计算与之前由其他人做出的黑洞质量和旋转的测量相匹配。 Isi表示,研究结果表明,研究人员实际上可以利用引力波信号中最响亮,最可探测的部分来识别新的黑洞振铃,此前科学家们认为这种振铃只能在更微弱的一端被发现。引力波信号,只有比目前存在的更灵敏的仪器。

“这对社区来说是令人兴奋的,因为它表明现在可以进行这类研究,而不是20年,”Isi说。

随着LIGO提高其分辨率,未来更灵敏的仪器上线,研究人员将能够使用该组的方法“听到”其他新生黑洞的振铃。如果他们碰巧拾得与爱因斯坦的预测不相符的音调,这可能是一个更令人兴奋的前景。

“未来,我们将在地球和太空中拥有更好的探测器,并且不仅可以看到两个,而且可以看到数十种模式,并精确地确定它们的属性,”Isi说。 “如果这些不是黑洞,正如爱因斯坦预测的那样,如果它们是像虫洞或玻色子星更奇特的物体,它们可能不会以相同的方式响起,我们将有机会看到它们。”

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