两个黑洞合并为何如此困难?也许是动摩擦惹的祸

根据国外媒体报道,经典的浪漫故事也可能发生在天文学中:两个黑洞相遇并立即相互吸引。他们围着对方跳舞,越来越近,直到...

直到什么?像任何爱情故事一样,问题出现在这个阶段。

爱因斯坦的广义相对论首次预测了黑洞。黑洞在时间和空间上就像一个无底的洞,就像一口重力井。任何东西都无法逃脱,即使是光。一个小黑洞的质量只有太阳的几倍。它像地雷一样静静地躺在宇宙的每个角落。然而,超大质量黑洞占据了星系的核心位置,就像吸尘器一样,吸进它们周围的所有物体。这些超大质量黑洞的质量是太阳的几亿倍。天文学家认为它们是由一系列星系合并而成的。在宇宙的早期,几十个甚至数百个星系可能聚集在一起,形成了现在的情况。

“根据我们对宇宙结构形成过程的理解,小星系会合并成大星系,大星系会合并成大星系。”俄亥俄州奥柏林学院的物理学家罗伯特·欧文解释道。每一次合并都需要数亿年甚至更长的时间,所以我们不能直接观察这个过程。但是理论家可以通过计算机模拟再现整个合并过程。

这就是问题所在。当物理学家进行模拟时,两个合并星系中心的黑洞被卡住了。黑洞很少正面碰撞。由于它们相遇时的路径不同,它们会在角动量守恒的影响下相互靠近旋转。被彼此的引力吸引,两个黑洞会越来越近,直到它们之间只剩下1秒(秒:天文单位,大约3光年)。然而,两人就像害羞的恋人,不会再靠近了。

为什么会这样?欧文做了一个类比:想象你的手是一个黑洞。把你的手放在一桶水中,让它旋转,就像合并银河物质一样。起初,水会阻碍手的运动,迫使它慢下来。在太空中,这种被称为动态摩擦的重力作用会减少黑洞的角动量,导致它逐渐向另一个黑洞移动。但是过一会儿,水会和你的手向同一个方向旋转,所以对手的阻力也会减少。在模拟的星系合并过程中,恒星和其他天体也会根据两个黑洞的旋转方向改变它们的运动路径。这时,动态摩擦力逐渐减小,两个黑洞稳定在新的轨道上,不会再改变它们的位置。

如果物理学家对宇宙的形成有正确的理解,那么成对的黑洞最终会相互碰撞和融合。但是为了实现这一点,他们必须首先尝试减去足够的能量,然后才能继续接近对方并越过最后一个秒。根据广义相对论,一旦两个黑洞非常接近(仅相距几十亿公里,约0.001秒),剩余的角动量将随着不断增加的引力波逐渐消失,将两个黑洞推到一起。这个过程可能需要数小时、数天甚至数年,这取决于黑洞的质量。

到底是什么驱使这种“致命的拥抱”?这就是所谓的“解析器的最后一个问题”。这个问题的答案不仅是为了满足我们的好奇心,也是为了改变我们对宇宙结构形成过程的理解和对重力本质的理解。因此,当物理学家模拟黑洞的运行时,天文学家也在观察夜空,试图寻找黑洞的线索来解决“最后一秒问题”——如果他们真的能解决的话。

在过去的30年里,天文学家发现了数百个包含两个超大质量黑洞的星系,这些黑洞处于不同的合并阶段。但是即使是“最接近的”一对黑洞也被数千秒分隔开。"找到比这更近的黑洞要困难得多."加州理工学院的计算科学家马修·格雷厄姆指出。即使是地球上最大的望远镜也无法达到如此高的分辨率。

因此,格雷厄姆和他的同事决定采用间接的路线,利用闪烁的类星体光进行观察。脉冲星是巨大而古老的星系中极其明亮的核心部分。当物质围绕星系中心的超大质量黑洞旋转时,它逐渐积累成一个盘状结构。这个圆盘的角动量将把它的部分质量转化成辐射,使星系发出明亮的光芒。当气体和尘埃不连续地落入圆盘时,类星体的光线也会发生变化。

但是在2013年底,科学家发现了一个不同的类星体。格雷厄姆和他的同事利用过去10年在“卡塔琳娜实时瞬态调查”中收集的数据,发现了一个奇怪的信号源,其变化模式可以预测。这颗名为PG 130102的类星体距离地球约35亿光年。它似乎变得越来越亮越来越暗,每五年半重复一次,就好像有人在慢慢操纵亮度控制开关。

天文学家在合并过程中发现了一些星系对,如图片中的NGC 4676。

是什么导致了这种循环?格雷厄姆说:“我们已经提出了四五种不同的物理解释。”例如,另一个超大质量黑洞的运行可能周期性地改变类星体的辐射方向,或者可能扭曲尘埃盘中的旋转物质,从而导致其亮度周期性地改变。所有这些解释都有一个共同点:只有当类星体PG 130102中心的黑洞确实由两个黑洞组成时,它才有意义。

格雷厄姆和他的同事估计,如果在类星体PG 130102的中心确实有一个双黑洞系统,两者之间的间隔可能只有0.01秒。哥伦比亚大学进行的另一项研究甚至提出了一个更小的猜测,只有0.001秒,大约是太阳系的直径。在这个水平上,这两个黑洞应该已经“脱衣服”(它们脱下的是引力波),而且它们几乎不在彼此的臂弯里。只要研究人员读取的PG 130102信号是正确的,任何一种情况都可以解释同样的问题:大自然已经解决了“最后1秒问题”。

格雷厄姆和他的同事在卡塔丽娜项目数据库中发现了100多个可能包含双黑洞系统的类星体。两个黑洞之间的距离远小于1秒。如果这些推测得到证实,科学家们就能“一瞥”到“合并剧”神秘的最后一章。

然而,为了找出两个非常接近的黑洞是如何离开它们的稳定轨道并最终合并的,我们可能需要以一种全新的方式来看待宇宙。"我们只是用电磁波进行盲测."欧文描述了科学家如何使用传统望远镜发现双黑洞系统。理论上,黑洞合并释放的能量应该是超新星爆炸的1亿倍,但是所有这些能量都是以引力波的形式存在,而不是光。“我们必须学会用‘眼睛’来‘听’,就像通过鼓表面的振动来判断鼓的声音一样,而不是通过鼓的声音。”

通过引力波观察黑洞的合并可以使情况更加清楚。从星系中心发出的光经常被气体和尘埃云吸收、再发射或散射,导致视野变得模糊和扭曲加州理工学院和马克斯·普朗克射电天文学研究所的天体物理学家查拉·明加里解释说,“引力波不受气体和尘埃的影响,可以直接通过。”

然而,探测引力波并不容易。引力波天文学仍处于初级阶段,甚至像LIGO这样的顶级天文台也不够灵敏,无法探测到引力波,天文学家怀疑当两个黑洞系统融合时,引力波正在缓慢振荡。

因此,研究人员决定用大自然提供的“望远镜”——毫秒脉冲星——以另一种方式进行探测。这种天体是恒星爆炸留下的“遗迹”,密度极高,不停地旋转。就像海面上的浮标一样,它们有规律地向地球发射无线电波,其精确度相当于原子钟。当遥远星系中的两个黑洞穿越最后1秒时,引力波会干扰这些毫秒脉冲星发出的信号。因此,通过观察银河系中数十毫秒脉冲星的信号变化,天文学家可以判断它们是否受到引力波的影响。

这些无线电波的光谱特性将提供一系列重要数据,帮助物理学家测试或完善黑洞合并模型。威斯康星大学密尔沃基分校的研究生约瑟夫·约瑟夫·西蒙(Joseph Joseph Simon)指出:“脉冲星计时阵列是我们了解两个黑洞穿越最后一个秒秒时发生了什么,以及发现终极“幕后”身份的唯一工具。"

然而,即使引力波不能被探测到,它们也可以作为一个重要的线索。西蒙指出,经过近十年的计时,脉冲星计时阵列的灵敏度“终于达到了一个足够高的水平,即使什么都没探测到,也能揭示一些重要信息。”到目前为止,还没有发现这些计时阵列,这表明理论家们可能对黑洞穿越最后一个秒秒后的经历有错误的想法。黑洞的部分能量可能不会以引力波的形式消散,而是通过与附近恒星和气体的未知相互作用而消散。也许黑洞会把恒星抛得离自己很远,或者黑洞的引力会扭曲周围的尘埃和气体圆盘。如果物理学家能够理解这种能量耗散机制,他们也许能够解释黑洞是如何穿过最后一个帕西。

物理学家的仔细计算将会给他们一个检验爱因斯坦预言的机会。正如欧文所说,“当我们谈论广义相对论时,它似乎已经被彻底验证了。”但是科学家们从未在像黑洞合并这样的极端重力事件中检验过这个理论。这些事件与牛顿的物理定律相去甚远,人们熟悉的能量、动量和质量的概念已经失去了原有的意义。如果黑洞合并产生的引力波确实比广义相对论预测的要弱,或许是时候做出一些改变了。

理解黑洞的“爱情故事”的最终目标是更好地理解地球,并找出我们的引力波环境是“浩瀚的海洋”还是“涓涓细流”。欧文指出:“这实际上是两个完全不同的‘时空海洋’,一个平静,另一个波涛汹涌。”

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