LIGO和室女座引力波探测器的大质量“爆炸”:双黑洞合并时时空结构的震动

两个黑洞合并

两个黑洞的吸气和合并,发射引力波的数值模拟。两个黑洞的质量相当大,其中一个只比另一个大3%。模拟的引力波信号与2019年5月21日LIGO和室女座引力波探测器观测到的结果一致(GW190521)。资料:N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno(马克斯普朗克引力物理研究所),模拟极端时空(SXS)合作

二进制文件黑洞合并可能产生引力波相当于八个太阳的能量。

尽管宇宙一片空旷,但它仍以引力波的形式活跃着。由极端的天体物理现象所产生的,这些反射产生涟漪并震动时空的结构,就像宇宙钟的叮当声。

现在研究人员已经检测到可能是在引力波中观察到最巨大的黑洞合并的信号。合并的产物是“中间质量”黑洞的第一次清晰检测,质量在100至1,000倍的太阳之间。

他们检测到他们标记为GW190521的信号,2019年5月21日,国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台(利奥),在美国一对相同,4公里长的干涉仪;和处女座,意大利的3公里长的探测器。

类似于四个短发布的信号,持续时间非常短,持续低于十分之一。从研究人员可以告诉的,GW190521是由一个大约5千兆字符串的来源产生的,当宇宙大约是年龄的一半时,使其成为目前最远的重力波来源之一。

对于基于强大的最先进的计算和建模工具而产生的该信号,科学家认为GW190521最有可能由二进制黑洞合并产生不寻常的属性。

几乎每个确认的引力波信号到目前为止来自二元合并,在两个黑洞或两个中子恒星之间。这个最新的合并似乎是最巨大的,涉及两个普遍存在的黑洞,肿块约为85和66倍的阳光质量。

GW190521大规模的黑洞合并

:这位艺术家的概念说明了用于合并黑洞的分层方案。Ligo和Viggo最近观察了一个黑洞合并,最终质量为842倍的太阳,使其成为迄今为止在引力波中观察到的最大类型。信用:LIGO / CALTECH / MIT / R.伤害(IPAC)

LIGO-Virgo团队还测量了每个黑洞的自旋,发现当两个黑洞的旋转距离越来越近时,它们可能绕着自己的轴线旋转,但角度与轨道轴线不一致。这两个黑洞的自旋方向不一致可能导致它们的轨道摆动,或者说是“进动”,因为这两个巨人在向对方旋转。

新的信号很可能代表了两个黑洞合并的瞬间。合并产生了一个质量更大的黑洞,约为142个太阳质量,并释放了相当于8个太阳质量的巨大能量,以引力波的形式在宇宙中传播。

法国国家科学研究中心(CNRS)的研究人员、室女座成员尼尔森·克里斯滕森(Nelson Christensen)说:“这看起来不太像我们通常探测到的啁啾。”他将这一信号与2015年LIGO首次探测到的引力波进行了比较。“这更像是发生了‘爆炸’,这是LIGO和室女座观测到的最大的信号。”

组成LIGO科学协作组(LSC)和室女座协作组的国际科学家团队在今天发表的两篇论文中报告了他们的发现。一个出现在物理评论快报,详细说明发现,另一个,天体神话杂志,讨论了信号的物理性质和天体物理学意义。

“Ligo再次惊喜美国不仅仅是难以解释的尺寸的黑洞,而是使用没有专门针对恒星兼并设计的技术,”国家科学的引力物理学计划总监Pedro Marronetti说基础。“这具有巨大的重要性,因为它展示了仪器检测完全无法预料的天体物理事件的信号的能力。Ligo表明它也可以观察意外。“

在质量间隙中

两个普遍性的黑洞的唯一大量的群众,以及最终的黑洞,提出了关于它们的形成的问题。

迄今为止观察到的所有黑洞都适合两类:恒星 - 质量黑洞,从几十天的太阳能群体测量到几十太阳群体,并被认为是在大规模的恒星死亡时形成的;或超大的黑洞,如在中心的一个银河系银河系,这是数十万的阳光下数十亿次。

然而,由GW190521合并产生的最终142太阳质量黑洞位于恒星 - 质量和超粗糙的黑洞之间的中间质量范围内 - 其首先检测到。

产生最终黑洞的两个祖先的黑洞也似乎是独特的。他们如此巨大地,科学家怀疑它们中的一个或两个可能没有由倒塌的星星形成,因为大多数恒星的黑洞。

根据恒星演化的物理学,来自光子和气体中的外侧压力在星形的核心中支撑它抵抗压力向内推动的力,使得恒星稳定,就像太阳一样。在核心核心核心作为铁的核心之后,它不能再产生足够的压力来支撑外层。当这种向外的压力小于重力时,恒星在其自身重量下坍塌,在称为核心崩溃超新星的爆炸中,可以留下黑洞。

这一过程可以解释如何大量的恒星作为130太阳能群体可以产生最多65个太阳能质量的黑洞。但对于较重的星星,被称为“对不稳定性”的现象被认为是踢入的。当核心的光子变得极为精力充沛时,它们可以变成电子和抗电器对。这些对产生比光子更低的压力,导致恒星变得不稳定的引力崩溃,并且所产生的爆炸足以留下任何东西。更加巨大的恒星,高于200的太阳能群体,最终将直接坍塌成至少120个太阳能肿块的黑洞。然后,坍塌的星光应该不能在大约65和120太阳能质量之间产生黑洞 - 一种被称为“对不稳定性质量差距”的范围。

但是现在,在85个太阳能质量下产生GW190521信号的两个黑洞的较重是在对不稳定的质量间隙内检测到的第一个。

“The fact that we’re seeing a black hole in this mass gap will make a lot of astrophysicists scratch their heads and try to figure out how these black holes were made,” says Christensen, who is the director of the Artemis Laboratory at the Nice Observatory in France.

研究人员在第二纸中考虑的一种可能性是分层合并,其中两个祖先的黑洞本身可能已经由两个较小的黑洞的合并形成,然后在迁移并最终合并之前。

“此次活动开启了比提供答案更多的问题,”Caltech的物理学教授Ligo成员Alan Weinstein说。“从发现和物理的角度来看,这是一个非常令人兴奋的事情。”

“意外的东西”

关于GW190521还有很多问题。

由于Ligo和Virgo探测器侦听通过地球的引力波,自动搜索梳理通过传入数据进行有趣的信号。这些搜索可以使用两种不同的方法:挑选可能已经由紧凑二修系统生产的数据中的特定波模式的算法;更普遍的“爆发”搜索,基本上寻找普通人的任何东西。

Ligo成员Salvatore Vitale,物理助理教授麻省理工学院,比较紧凑的二进制搜索“通过数据传递梳子,这将捕获一定的间距,”与更像“捕获 - 所有”方法的突发搜索相比,“相反。

在GW190521的例子中,这是一个突发搜索,它接收到的信号稍微清晰了一些,开启了引力波产生于二元合并以外的其他东西的非常小的机会。

“断言我们已经发现了新的东西非常高,”Weinstein说。“所以我们通常会应用偶尔的剃刀:更简单的解决方案是更好的解决方案,在这种情况下是一个二进制黑洞。”

但如果有全新的东西产生了这些引力波呢?这是一个诱人的前景,在他们的论文中,科学家们简要地考虑了宇宙中可能产生他们探测到的信号的其他来源。例如,引力波可能是由我们星系中的一颗坍缩的恒星发出的。信号也可能来自宇宙最初膨胀时产生的宇宙弦——尽管这两种奇异的可能性都不符合数据,也不符合二元合并。

“既然我们首先打开利罗,我们以信心观察到的一切都是黑洞或中子恒星的碰撞,”Weinstein说:“这是我们分析允许这一事件不这样碰撞的一个事件。虽然这一事件与来自一个异常大规模的二进制黑洞合并的事件一致,但替代解释不容妨碍,它正在推动我们信心的界限。这可能使它非常令人兴奋。因为我们一直希望有一些新的东西,意外的东西,这可能会挑战我们已经学到的东西。这个事件有可能这样做。“

快速“爆炸”标志着有史以来最大的引力波来源更多关于这项研究的信息。

参考文献:

“GW190521:由R. Abbott等人的总质量为150m³的二进制黑洞合并。(Ligo Scientific Collaboration和Virgo Collaboration),2020年9月2日,物理评论快报
DOI:10.1103 / physrevlett.125.101102

“150个太阳质量的双黑洞合并GW190521的性质和天体物理含义”by R. Abbott, T. D. Abbott, S. Abraham, F. acerese, K. Ackley, C. Adams, R. X. Adhikari, V. B. Adya, C. Affeldt, M. Agathos…利波科学协作和处女座协作,2 2020年9月,天体物理学杂志通讯》上
2041 - 8213 . DOI: 10.3847 / / aba493

这项研究是由美国国家科学基金会资助的。

10评论在Ligo和Virgo引力波检测器中的“大规模”爆炸“:二进制黑洞合并时空空间摇动的结构”

  1. 大黑洞合并当然是在许多方面的大新闻。我们可以在这些范围内找到黑洞意味着在规模方面没有长大的巨大黑洞的原则问题,即使我们仍然不知道它们如何快速增长。

    但是有伴随的评论文章中的线索在物理审查信中。
    “合并的黑洞的旋转可以帮助区分两种情况[二元的黑洞是由二元系统中的两颗星的崩溃,或者最巨大的黑洞是”第二代“黑洞,由两个较小的黑洞的合并产生,因为它们预计在隔离二进制演变的情况下大致对准,并且在动态交互场景中被随机取向。研究人员的分析显示GW190521合并黑洞的旋转可能未对准[3]。这结果温和地利用了第二种情况,但证据并不定罪。

    进一步的线索可能来自于最近对这种合并可能的电磁对应物的识别。在GW190521所在的同一区域,Zwicky瞬变装置(ZTF)检测到一个耀斑出现在引力波信号(见焦点:可能来自黑洞合并的耀斑)[10]之后35天。这种耀斑可能是由黑洞环境中的气体产生的,这些气体被合并产生的冲击波加热。如果耀斑和合并之间的联系是正确的,那么合并发生在一个活动星系核的圆盘上。在这种环境中,有利于产生多代黑洞,其质量超过50个太阳质量[11],在质量间隙中出现黑洞并不令人惊讶。”

    换句话说,数据轻微地利用分层生长场景,发生在一个活跃的星系核中,其中通常至少一个超大的黑洞已经统治,解释了黑洞合并结果保持围绕以合并更多。(合并对象速度小于银河系核心的逃逸速度。)

    先前观察到的罕见不匹配的质量合并,其中一个黑洞的质量比它大一个数量级,这篇论文也支持这种分层增长。

    然而,GW190412在仅仅50次探测之后就被LIGO和Virgo探测到了,这表明它可能是通过其他过程产生的。

    Vitale说:“无论我们做什么,我们都不能轻易在这些更常见的形成渠道中产生这种事件。”

    分层合并的过程可能更好地解释了GW190412的不平衡质量和它的高自旋。如果一个黑洞是先前两个质量相似的母黑洞配对的产物,那么它本身的质量就会比母黑洞中的任何一个都大,之后就会大大超过第一代母黑洞,从而在最后的合并中创造出一个高质量比。

    一个分层的过程也可以产生一个高自旋的合并:母黑洞在它们混乱的合并过程中,会使产生的黑洞自旋上升,然后将自旋带入最终的碰撞。

    “你做了数学,它结果将剩余的黑洞有一个旋转,非常接近这个合并的总旋转,”Vitale解释道。“

    “如果该天体能够再次合并(在这种情况下,产生GW190412),这将意味着它接收到的冲击不足以逃离它形成的星团。如果GW190412确实是层级合并的产物,研究小组计算出,它应该发生在逃逸速度高于每秒150公里的环境中。举例来说,大多数球状星团的逃逸速度约为每秒50公里。

    这意味着无论环境GW190412从拥有巨大的引力拉动,那么该团队认为这种环境可能是围绕超大的黑洞的气体,或“核簇” - 一个令人难以置信的宇宙中的区域,装满了数百万星。“

    该合并辐射出8个太阳能肿块,比典型的早期合并是2-4倍,所以他们难怪他们看到两倍。即使它是具有10-20赫兹主频率的低频啁啾,似乎升级的高级Ligo可能会观察到那么低。

    该事件的预期率〜0.1 GPC ^ -3 YR ^ -1,因此每月100 GPC ^ 3卷会看到这些约为这些时间 - 我们很快就会获得良好的统计数据,就似乎在星系中心似乎发生的事情。

  2. 庞大的空间似乎排除了任何事情撞到了其他任何事情。甚至假设温柔但坚持的重力力量似乎不可能给予距离。但它确实如此。

  3. 人们对乐器灵活性的“惊讶”有些言过其实了。这就像有人建造了一个海浪探测器来探测经过的游艇的尾流,然后当它探测到一艘货船的尾流时表现得很惊讶。“哇,这个神奇的尾流探测器不是设计来探测货船的,但它几乎像变魔术一样探测到了它本来设计用来探测的完全相同的现象!”神奇的!”

    • 当科学家们必须努力工作时,它并不夸张,尽管制造乐器并使它们首先工作。

      而且对于令人惊讶的物理,看文章!

  4. “空间很大。你不会相信它有多么的巨大,巨大,令人难以置信的大。我的意思是,你可能会认为这离药店还有很长的路要走,但这对太空来说只是微不足道的事。“我承认,我不是专业的。但是我能不能问一下,在宇宙中几十亿几十亿的星系中,特大质量星系中心之间发生碰撞的概率是多少?只是一个问题…

    • “普林斯顿科学家互相碰撞课程中的两个超级分类黑洞”

      “这两个数据可以用来估计目前宇宙中有多少可探测到的超大质量黑洞合并,并预测历史上首次探测引力波背景“嗡嗡声”的时间。”

      “我们不知道超大质量黑洞是否会合并,这是天文学上的一大尴尬,”普林斯顿大学(Princeton)天体物理学教授、这篇论文的合著者珍妮·格林(Jenny Greene)说。“对于黑洞物理学的每一个人来说,从观测角度来看,这是一个我们需要解决的长期难题。”

      超级分类的黑洞可以容纳数百万甚至数十亿的太阳块。几乎所有的星系,包括我们自己的银河系,至少包含其中一个庞大的河豚。当星系合并时,他们的超级分类黑洞会面并彼此开始轨道。随着时间的推移,这种轨道将气体和星星在黑洞和窃取能源之间缩小。“

      “基于数据,PARDO和Mingarelli预测,在乐观的情况下,附近有112个附近的超大自主黑洞发出引力波。因此,首次检测来自超大迹象的黑洞并购的引力波背景应在未来五年左右内部。如果未提出这样的检测,那将是最终的PARSEC问题可能是不可逾越的。该团队目前正在寻找类似于覆盖新发现超大黑洞二进制文件的其他星系。找到其他对将帮助他们进一步磨练他们的预测。

      “这是我们发现的第一对如此巨大的黑洞,但很可能还有更多的双黑洞有待发现,”合著者Michael Strauss教授说,他是普林斯顿天体物理科学系的副主任。“我们对合并黑洞群体了解得越多,就越能更好地理解星系形成的过程和引力波背景的本质。”

      [https://www.princeton.edu/news/2019/07/10/princeton-cientssive-pot-two-supermassive-black-holes-collision-汽车¬ofter.]

  5. 那会是什么样子呢?

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