解碼引力波信號 “弦外之音”驗證黑洞“無毛”形象
2019年09月24日09:55

  來源:科技日報

  在宇宙中,能夠吞噬一切光線和物質的黑洞,像一個神秘莫測的影子。百餘年來,它頻頻被人類所“察覺”,卻又總是難以理解。4年前,兩個黑洞合併產生的引力波信號被捕捉到,科學家將引力波轉化成聲波,人類開始“聽”到黑洞。5個月前,全球多地天文學家同步公佈首張黑洞真容,人類終於“看”到了黑洞。

  近日,人類再次破譯黑洞密碼。科研人員在《物理評論快報》刊文稱他們“聽懂”了一個新生黑洞的“聲音”。併發現通過分析這種“發聲”模式的特徵,可以得到黑洞的質量和自旋。這一結果,與用其他方法分析黑洞合併產生的引力波信號得到的新生黑洞的質量和自旋一致,進而證明了愛因斯坦廣義相對論是正確的,黑洞作為“禿頂巨人”的無毛定理,也被驗證。

  “鍾響”中包含黑洞屬性

  100多年前,愛因斯坦的廣義相對論曾預言,如果兩個黑洞在宇宙中碰撞,會合併產生一個新的黑洞,其誕生後的“振動”,即引力波,就像被撞擊的鍾一樣,產生反向聲波向外傳播。然而,100多年過去了,新生黑洞及其產生的引力波仍然是個謎團,遲遲未被人類窺探。

  2015年9月14日,科學家用美國激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探測到,在13億光年外,兩個黑洞相互繞轉、扭曲地融合在一起,輻射出攜帶著黑洞的質量和自旋信息的引力波。這個事件被命名為GW150914。

  當科學家們消除探測器噪音並放大引力波信號後,他們觀察到了一個波形,該波形在衰減之前會迅速增強。當他們把這個信號轉換成聲音時,聽到了類似“唧唧”的聲音。

  “引力波發出的‘唧唧’的聲音是一種形象的比喻,它的波形和聲波很類似。”中科院紫金山天文台宇宙高能粒子加速和輻射研究團組首席科學家劉四明接受科技日報記者採訪時說。

  在這次探測中,科學家們確定,引力波是由兩個巨大黑洞的合併觸發的。信號的峰值、“唧唧”聲中最響亮的部分,就是兩個黑洞碰撞、合併成一個新黑洞的時刻。

  在隨後的四年間,科學家們經常探測到引力波事件,但卻一直未能從中解碼黑洞的屬性。

  劉四明打了個比方,“兩個黑洞合併後生成的新黑洞產生的引力波,就像敲鍾後的尾音,鍾剛剛敲響時的聲音最大,然後逐漸衰減。而尾音的頻率與鍾的大小有關,通過對聲音的分析,就可以反推鍾的質量、材質等。

  層層漣漪具有不同震盪頻率

  雖然新生黑洞很可能產生了它自己的引力波,但科學家們認為,在兩個黑洞最初碰撞的喧鬧聲中,它的信號“聲音”太微弱,無法解讀。

  然而,研究團隊找到了一種新的方法,可以在信號到達峰值後的瞬間提取出黑洞的“聲音”。研究小組通過數據模擬,發現當信號到達峰值後,還存在著一種“弦外之音”——一組響亮而短暫的“聲音”。當他們將這種“弦外之音”納入考量,重新分析信號數據後,發現他們可以成功地分離出來一種新的“聲音”模式,一種新生黑洞發出的“聲音”。

  研究人員將這種新技術應用於對GW150914的實際觀測數據,分析表明,信號峰值後的幾毫秒里,至少存在一種頻率更低、衰減更快的“弦外之音”,並確定了兩種不同的“聲音”模式,每一種“音調”和衰減數據都來源於新生黑洞。

  通過數值模擬,科學家們計算出了引力波的演化過程,進而確定了黑洞的質量和自旋。科學家們還利用信號峰值之後的“聲音”特徵,確定了新生黑洞的質量和自旋。

  “我們檢測到由多個頻率組成的整體引力波信號,這些信號以不同的速率逐漸消失,就像構成聲音的不同音高一樣。”該論文的第一作者、美國麻省理工學院的研究人員伊西表示,“每個頻率或音調都對應於新黑洞的振動頻率。”

  黑洞為何會發出不同振動頻率的引力波?南京航空航天大學副教授李晉斌介紹,黑洞合併初期產生的引力波,就像向湖中投出一枚石子,石子的震盪在湖面形成不同的漣漪,不同的漣漪有不同的振動頻率,最初的震盪最劇烈也最快,此時傳遞的能量也最大。

  “此前科學家對於黑洞較平靜時的研究較多,對於其合併初期的研究較少,部分原因是以前科學家認為強引力波的振動是來自於很多非線性的模式混合,難以分析、提取,但此次的研究中,‘聲音’其實是線性疊加,可以把不同的振動頻率分開研究。”李晉斌說。

  “音調”和衰減證明無毛定理

  在愛因斯坦看來,一個具有一定質量和自旋的黑洞,只能產生特定的“音調”和衰減。

  在此次研究中,科學家們利用廣義相對論方程,計算了衰減的引力波信號和新生黑洞質量和自旋之間的關係。

  通過對觀測數據比較,由兩個黑洞合併後形成的新黑洞,重量約為68.5個太陽質量。

  這一結果,與利用完整的引力波信號得到的新生黑洞的質量和自旋數據一致,也驗證了黑洞的“無毛”定理。

  美國著名物理學家約翰·惠勒曾預言,黑洞只有三種可觀察的特性,即質量、自旋和電荷。形成黑洞的天體,它們的“毛髮”,即其他特徵,都應該被黑洞吞噬。

  但是,黑洞是否有“毛髮”,學者們已經爭論了幾十年。愛因斯坦也提出了一種方法來檢驗這一理論,當兩個黑洞碰撞並形成一個新的黑洞時,產生的引力波在時空中引起漣漪,關於新生黑洞的質量和自旋屬性應該編碼在其引力波的一些“音調”中。

  此次發表的論文,支援了黑洞“無毛”定理,並給出了黑洞的“發聲”模式。這些計算結果與之前其他人對黑洞質量和自旋的測量結果相吻合。

  “如果科學家的計算結果與測量結果有明顯偏差,就意味著黑洞產生引力波的模式並不僅僅依賴於質量、自旋和電荷,也就證明廣義相對論預言的黑洞‘無毛’定理是錯的。但恰恰相反,此次研究證明了利用引力波的特定頻率和衰減率可以測算出黑洞的質量和自旋。”劉四明說。

  不過,李晉斌認為,雖然這是第一個直接驗證“無毛”定理的實驗測量,但受製於目前的觀測、分析工具和分析能力,並不意味就此證明了所有黑洞都沒有“毛髮”。

  劉四明認為,如果存在量子效應,愛因斯坦的理論可能會不夠準確。正如牛頓的引力理論在試圖描述合併黑洞時完全不適用。

  但是,隨著LIGO解像度的提高以及未來更靈敏的儀器上線,研究人員將能夠使用這個方法“聽到”更多其他新生黑洞的“聲音”。

  “未來,我們將在地球和太空中擁有更好的探測器,並且不僅可以看到兩個,還可以看到數十種模式,並精確地測量出它們的屬性。”伊西說,“如果這些不是黑洞,如果它們是像蟲洞或玻色子星更奇特的物體,它們可能會以不同的方式響起,我們將有機會‘聽到’它們。”

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