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两个黑洞合并为何如此困难?也许是动摩擦惹的祸

来源:新浪科技

  新浪科技讯 北京时间8月10日消息,据国外媒体报道,天文界也可以发生经典的浪漫故事:两个黑洞相遇了,彼此之间立即产生了吸引力。它们围着对方跳起舞来,越转越近,直到……

  直到什么?就像任何爱情故事一样,一到了这个阶段,问题便会应运而生。

  爱因斯坦的广义相对论最先提出了对黑洞的预测。黑洞就像时空中的无底洞,像一口引力之井。任何事物都无法从中逃脱,就连光线也不例外。小型黑洞的质量只有太阳的几倍,像地雷一样静静埋伏在宇宙的各个角落。而超大质量黑洞则占据着各个星系的核心位置,如吸尘器一般、将周围的物体尽数吸入。这些巨型黑洞的质量高达太阳的数亿倍。天文学家认为,它们是由一系列星系合并形成的。在宇宙早期,可能有数十个、甚至数百个星系纷纷聚集到一起,形成了如今的局面。

  “根据我们对宇宙结构形成过程的认识,小星系会合并成大星系,大星系又会合并成更大的星系。”美国俄亥俄州奥柏林学院物理学家罗伯特·欧文(Robert Owen)解释道。每次合并都要经历数亿年、甚至更久,因此我们无法直接观察到这一过程。但理论学家可以通过计算机模拟重现整个合并过程。

  麻烦就出在这里。物理学家运行模拟时,两个正在合并的星系中央的黑洞竟然卡住了。黑洞极少会正面相撞。由于它们相遇时的路径不同,受角动量守恒的影响,它们会旋转着靠近对方。受彼此的引力吸引,两个黑洞会越挨越近,直到之间仅剩1秒差距(秒差距:天文学单位,约合3光年),二者却又像羞涩的恋人一样,不肯再靠近一步了。

  为何会这样呢?欧文打了个比方:把你的手想象成其中一个黑洞。把手放在一桶水中,让水旋转起来,就像正在合并的星系物质一样。水一开始会阻碍手的运动,迫使手的速度减慢。在太空中,这种引力作用名叫动摩擦,会降低黑洞的角动量,导致其逐渐向另一个黑洞移动。但过了一会儿,水的旋转方向便会与你的手保持一致了,因此手受到的阻力也会减小。而在模拟的星系合并过程中,恒星和其它天体也会根据两个黑洞的旋转方向改变运动路径。此时动摩擦逐渐减小,两个黑洞也就在新轨道上稳定了下来,不会再改变位置。

  若物理学家对宇宙的形成过程理解无误,这样成对的黑洞最终应当会彼此相撞、融为一体才对。但要实现这一点,它们必须先设法减去足够的能量,才能继续靠近对方、跨过最后这1秒差距。一旦两个黑洞靠得非常近之后(仅相隔几十亿公里,约0.001秒差距),根据广义相对论,剩下的角动量便会随着不断加强的引力波逐渐消失,将两个黑洞推到一起。这一过程可能会经历几小时、几天、甚至几年不等,具体取决于黑洞质量有多大。

  究竟是什么力量推动了这一“致命拥抱”呢?这便是所谓的“最后的1秒差距问题”。解答该问题不仅是为了满足我们的好奇心,还可改变我们对宇宙结构形成过程的理解、以及对引力本质的认识。因此在物理学家模拟黑洞运行的同时,天文学家也在观察夜空,试图找到黑洞解决“最后的1秒差距问题”的线索——假如它们真能解决的话。

  在过去的30年间,天文学家已经发现了数百个含有两个超大黑洞的星系,且这些黑洞处在不同的合并阶段。但即使是“最亲密的”一对黑洞,彼此之间也隔了几千秒差距。“要找到比这还近的黑洞就困难得多了。”加州理工学院计算科学家马修·格雷厄姆(Matthew Graham)指出。就算是地球上最大的望远镜,也达不到这么高的分辨率。

  因此格雷厄姆和同事们决定走一条间接路线,利用闪烁的类星体光线进行观测。脉冲星是巨大、古老的星系极为明亮的内核部分。物质围绕星系中央的超大质量黑洞旋转时,会逐渐累积成一个圆盘状结构。这个圆盘的角动量会将其部分质量转化为辐射,使星系发出耀眼的光芒。由于气体和尘埃落入圆盘时并不连贯,类星体的光芒也会随之变化不定。

  但2013年末,科学家却发现了一个与众不同的类星体。格雷厄姆和同事们利用“卡塔琳娜实时瞬变调查”10年来收集的数据,找到了一个奇特的信号来源,竟有着可以预测的变化规律。这个类星体名为PG 1302-102,距地球约35亿光年。它似乎会稳定地变亮、再变暗,每隔五年半便重复一次,就好像有人在慢慢操控亮度控制开关一样。

  是什么造成了这种循环呢?格雷厄姆表示:“我们提出了四五种不同的物理解释。”比如说,另一个超大质量黑洞的运行可能会定期改变该类星体辐射的朝向,或者可能使尘埃盘中旋转的物质发生扭曲,从而使其亮度发生周期性变化。这些解释都有一点共同之处:只有当类星体PG 1302-102中央的黑洞的确由两个黑洞构成时,才可以说得通。

  距格雷厄姆和同事们估计,如果类星体PG 1302-102中央的确存在双黑洞系统,两者间隔可能只有0.01秒差距。另一项由哥伦比亚大学开展的研究甚至提出了更小的猜测,仅有0.001秒差距,约相当于太阳系的直径。到了这种程度,两个黑洞应当已经在“宽衣解带”(脱掉的其实是引力波),就差没扑进对方怀中了。只要研究人员读取的PG 1302-102信号无误,那么无论是哪种情况,都能说明同一个问题:大自然已经解决了“最后的1秒差距问题”。

  格雷厄姆和同事们目前已在卡塔琳娜项目数据库中找到了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都远小于1秒差距。若这些猜测得到证实,科学家便可对这场“合并大戏”神秘的最终章来一次“惊鸿一瞥”。

  然而,要想弄清相隔很近的两个黑洞是如何离开稳定轨道、实现最终合并的,也许还需要我们以全新的方式看待宇宙。“我们现在只是借电磁波瞎试探而已。”欧文这样描述科学家们利用传统望远镜寻找双黑洞系统的做法。从理论上来说,黑洞合并释放出的能量应相当于超新星爆发的1亿倍,但这些能量全都以引力波、而非光线的形式存在。“我们要学会用‘眼睛’去‘听’,就好像通过鼓面的振动判断鼓在发声、而不是通过鼓声来判断一样。”

  通过引力波观察黑洞合并可以使情况清晰明了许多。“从星系中央发出的光线往往会被气体和尘埃云吸收、重新发射、或者散射开来,导致我们看到的情景昏暗而扭曲。”加州理工学院与马克斯·普朗克射电天文学研究所的天体物理学家基娅拉·明加雷利(Chiara Mingarelli)解释道,“而引力波则不受气体和尘埃影响,可以径直穿过。”

  然而,探测引力波也绝非易事。引力波天文学尚在起步阶段,况且就连LIGO这样的顶级天文台敏感度也不够高,无法探测到天文学家怀疑双黑洞系统合并时发出的、缓慢振荡的引力波。

  因此研究人员决定换一种途径,利用大自然提供的“望远镜”——毫秒脉冲星进行探测。这种天体是恒星爆炸后留下的“遗骸”,密度极高、转个不停。它们就像海面上的浮标一样,以原子钟般的精确度,定期向地球发射一道射电波。当遥远星系中的两个黑洞正在跨越最后的1秒差距时,产生引力波可对这些毫秒脉冲星发出的信号造成干扰。因此通过观察银河系中数十个毫秒脉冲星的信号变化,天文学家便能判断它们是否受到了引力波的影响。

  这些射电波的光谱特征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研究生约瑟夫·西蒙(Joseph Simon)指出:“要想了解两个黑洞在跨越最后1秒差距时究竟发生了什么,弄清这位终极‘幕后推手’的身份,脉冲星测时阵列是我们唯一可用的工具。”

  而就算探测不到引力波,也可作为一条重要线索。西蒙指出,历经了将近十年的计时,脉冲星测时阵列的敏感度“终于达到了足够高的水平,就算什么都没探测到,也能透露一些重要信息。”这些测时阵列至今一无所获,说明理论学家对黑洞跨过最后1秒差距后经历的猜想可能存在误区。黑洞的部分能量也许不会以引力波的形式发散出去,而是通过与邻近恒星和气体的某种未知相互作用消散掉了。也许黑洞会将接近自己的恒星远远甩出,或者黑洞的引力会使周围的尘埃气体盘发生扭转。若物理学家能弄清这种能量消散机制,也许就能解释黑洞是如何跨过最后这1秒差距的了。

  物理学家的精心计算将使他们有机会检验爱因斯坦的预言。正如欧文所说:“我们谈起广义相对论时,就好像它已经被彻底验证了一样。”但科学家还从未在黑洞合并这样的极端引力事件中检验过该理论。此类事件与牛顿物理法则相去甚远,我们熟悉的能量、动量和质量等概念也失去了原本的意义。假如黑洞合并发出的引力波的确比广义相对论预言的弱,也许是时候该做些修改了。

  了解黑洞“爱情故事”的最终目的还是为了更好地认识地球,弄清我们所处的引力波环境究竟是一片“汪洋大海”,还是一条“涓涓细流”。欧文指出:“这其实是两种截然不同的‘时空海洋’,一个风平浪静,一个波涛汹涌。”(叶子)

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