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引力波:两个黑洞的“火拼”(3)

2016-02-12 10:44:07  科普中国    参与评论()人

(图3注:双黑洞系统在不同阶段所产生波形随时间演化图。双黑洞系统的演化包括三个阶段:旋近(inspiral),合并(merger)和铃振(ringdown)阶段。(来源于LIGO所发文章))

我们注意到,合并前黑洞的质量为26个和39个太阳质量——这两个质量都比目前已知的恒星级黑洞要重许多。我们现在已经确认了大约20多个恒星级黑洞,最重的恒星级黑洞位于M33X-7系统中,为16个太阳质量。而其它所有确定的黑洞质量均比这个小,大多数是七八个太阳质量左右。尽管理论之前预言了更大质量的黑洞的存在,但是之前从来还没有发现过,所以此次发现更大质量黑洞,对于黑洞的形成渠道也有着重要影响。

我们所看到的所有恒星,都是处于旋转当中。所以对于那些由恒星塌缩而形成的黑洞而言,它们也是处在旋转之中。对于黑洞的旋转,天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示,它在0和1之间变化——0代表了没有转动的黑洞(也叫“史瓦西黑洞”),而1代表了理论上黑洞所具有的转动最大值(也叫“极端克尔黑洞”)。对于此次观测中合并以后的黑洞,它的自旋参数为0.67。如果我们以转速来描述,它在以每秒钟100转的速率转动。相较而言,我们刚才提到的人类第一个黑洞“天鹅座X-1”,它是一个极端克尔黑洞,差不多在以超过1000转每秒的速率转动。

如果你觉得转速依旧很难理解,那我们可以想象一下《星际穿越》电影的一个情节,主人公在卡刚都亚黑洞的行星上只呆了3个小时,但是后来却发现飞船上已经过了23年,时间相差了6万倍。要有这样巨大的时间差,其中条件就行星极度靠近黑洞的同时,黑洞也以最大速度转动。按照相对论理论所言,这样行星上的时间就会被极大的拉长。天鹅座黑洞的转速就具有类似于电影中卡刚都亚黑洞那样的转速。对于此次引力波探测到黑洞而言,即使有某个行星在其周围最靠近的稳定存在,那么对于它的时间也会流逝的很慢,不过不会有6万倍那么大的差别,最多也就2倍左右。

对于黑洞而言,有着非常著名的无毛定理,也就是说黑洞只需要简单的几个量就可以描述。对于宇宙当中的黑洞,只需要我们上面所说的质量和自旋参数就可以完整的描述。当我们知道了黑洞的质量和自旋参数一些性质时,我就可以很容易的对黑洞本身的全貌做出一个描绘,就如同给出了一个人的完整自画像。而引力波的方法可以快速给出黑洞的完整信息,这相比较传统的观测方式,更为有效,尽管在观测方面有些困难。

氢原子的百亿分之一

从预言到探测,物理学家等待引力波的到来已有一百年之久,为什么引力波这么难得一见?主要原因是,相比较其他的几种力(强力,弱力,电磁力),引力是最弱的,相应的引力波效应也就很弱。想当初爱因斯坦在发表自己新的理论之后,就估算了引力波的强度。引力波的强度通常利用相对变形大小来表示,但是结果往往是小的可怜,几乎无法探测到。引力波是时空的自身变形,在一个方向上被拉伸,在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。如果我们有一天,我们被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波(变化强度为1.0E-21)所击中的话,理论上来说,我们同样会经历一个稍微变高变瘦,然后变胖变矮一些的过程。实际上,对我们身高不超过2米的人类来说,导致的变化大约为2E-21,为一个氢原子的五百亿分之一(一个氢原子的大小大约为1.0E-10米)。

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