“瘦小版”黑洞現(xiàn)身 引力波立了哪些功？
美國時(shí)間11月15日，激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)官方網(wǎng)站發(fā)布消息，再次宣布接收到來自太空的引力波信號(hào)。而在目前通過引力波探測到的雙黑洞中，形成此次引力波信號(hào)的雙黑洞“體重”最輕。這次發(fā)現(xiàn)的意義何在？能與從電磁波觀測得到的黑洞性質(zhì)形成怎樣的互補(bǔ)關(guān)系？科技日?qǐng)?bào)記者就此采訪了相關(guān)專家。
黑洞是宇宙中的“貪吃王”，它憑借巨大的引力將恒星等物質(zhì)撕裂，并在身體外圍形成一個(gè)“甜甜圈”模樣的氣體吸積盤，氣體一邊旋轉(zhuǎn)一邊向它靠近，最終被它吞進(jìn)“肚”里。
吸積盤中氣體高速旋轉(zhuǎn)，越靠近黑洞轉(zhuǎn)速越快，高速氣體之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，使吸積盤中心部分氣體溫度達(dá)到驚人的高度并發(fā)出強(qiáng)烈的電磁輻射。通過天文望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙中的電磁波，科學(xué)家可以推斷黑洞的存在。
然而，可以探尋單個(gè)黑洞的電磁波觀測在雙黑洞面前陷入“盲區(qū)”。在雙黑洞系統(tǒng)中，兩個(gè)黑洞在最終的并合過程中，周圍并沒有氣體存在，因此不會(huì)產(chǎn)生能夠被探測到的電磁波輻射。
沒有產(chǎn)生電磁波，并不意味著雙黑洞系統(tǒng)無跡可尋。雙黑洞并合前，會(huì)一邊互相繞轉(zhuǎn)一邊釋放出引力波。由于引力波帶走了能量，兩者會(huì)越轉(zhuǎn)越近，直到撞上，釋放出巨大的能量。因此，通過探測引力波，人們不僅能“捕捉”到雙黑洞系統(tǒng)，還能“看見”它們并和的過程。
形成此次引力波信號(hào)的雙黑洞“體重”是引力波探測歷史上最小的。今年5月LIGO發(fā)布的第三次引力波事件，探測到兩個(gè)分別為31.2和19.4個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，而此次探測到的兩個(gè)黑洞質(zhì)量分別為7倍和12倍太陽質(zhì)量。
“對(duì)于質(zhì)量較小的恒星級(jí)雙黑洞，在地面引力波探測器直接探測到它之前，科學(xué)家們并不確定它們是否存在，此次探測結(jié)果證實(shí)，小質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)是存在的。”國家天文臺(tái)研究員茍利軍說道。如果說今年5月發(fā)布的引力波探測結(jié)果表明宇宙中存在“微胖界”黑洞，這次的結(jié)果意味著找到了“瘦小版”黑洞。
在描述引力波和電磁波探測的不同特質(zhì)時(shí)，LIGO科學(xué)合作組織爆發(fā)源分析組聯(lián)席主席Ik Siong Heng曾指出，傳統(tǒng)的光譜觀測能提供天體物理現(xiàn)象外層的動(dòng)力學(xué)信息，但引力波觀測則能讓我們聽到那些宇宙中最高能現(xiàn)象的“心跳”。
同樣是獲取黑洞的質(zhì)量、自旋速度等物理性質(zhì)，和電磁波探測相比，引力波探測方式更為直接。通過直接分析引力波波形，科學(xué)家們就能推算出黑洞的質(zhì)量、自旋速度、兩個(gè)黑洞互相繞轉(zhuǎn)速度。
電磁波探測則是間接得到這部分信息。茍利軍指出，通過觀測黑洞周圍的伴星和黑洞周圍的吸積盤輻射，可以獲得黑洞質(zhì)量、黑洞自旋以及黑洞與伴星互相繞轉(zhuǎn)速度。
值得一提的是，通過探測引力波，能獲取雙黑洞并合前每個(gè)黑洞的自旋信息，以及并合后形成的黑洞的自旋信息，這對(duì)理解雙黑洞形成機(jī)制有重要意義。茍利軍解釋道，目前科學(xué)家認(rèn)為雙黑洞系統(tǒng)有兩種形成可能：孤立雙星演化，或者一顆黑洞捕捉另一顆。目前從引力波觀測得到的黑洞并合前自旋信息，更多地支持后者。
但美中不足的是，引力波信號(hào)自身也存在一定缺陷，比如信號(hào)十分微弱，信號(hào)源定位誤差非常大，僅僅利用引力波探測無法確認(rèn)信號(hào)來自哪里。事實(shí)上，引力波與電磁波攜帶著天體不同類型的信息，對(duì)兩者的探測互為印證。引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)，有助于科學(xué)家結(jié)合不同信息研究天體的性質(zhì)，并檢驗(yàn)宇宙的基本規(guī)律。
就此次發(fā)現(xiàn)的黑洞而言，它有助于天文學(xué)家將從引力波觀測得到的這類黑洞的性質(zhì)與從X射線觀測中發(fā)現(xiàn)的黑洞性質(zhì)進(jìn)行比較，填補(bǔ)這兩類觀測之間缺失的一環(huán)，促進(jìn)多信使天文學(xué)的發(fā)展。
