快速“爆炸”标志着有史以来最大的引力波来源

GW190521大规模的黑洞合并艺术

两个黑洞的数值模拟,激发和合并,发射引力波。黑洞的质量很大,几乎相等,一个只比另一个大3%。模拟得到的引力波信号与LIGO和Virgo引力波探测器2019年5月21日的观测结果(GW190521)一致。资料来源: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

科学家首次探测到“中等质量”黑洞

国际研究合作包括西北大学天文学家目睹了“中等质量体”的诞生黑洞。这是一个中间质量黑洞的第一个定论发现,该物体具有长的核心天文学家。宇宙事件,其能量以地球检测到地球的形式引力波,是最巨大的黑洞合并,但在引力波中观察到。

两个黑洞可能发生碰撞并合并,形成了一个质量更大的黑洞,最终质量是太阳的142倍,或142个太阳质量。最后一个黑洞是第一个在中等质量范围内被发现的黑洞,该范围位于恒星质量和特大质量黑洞之间。

另一个首先是,在85个太阳能质量的两个合并黑洞中的较重是到目前为止所谓的“对不稳定质量差距”中的第一个黑洞。


这段视频展示了两个向内旋转并合并,释放引力波的黑洞的数值模拟。模拟得到的引力波信号与实测结果基本一致利奥和处女座引力波探测器于2019年5月21日(GW190521)。信用:版权所有©N.Fischer,H.Pfeiffer,A. Buonanno(Max Planck Gravitational Physics研究所),模拟极端刻薄量(SXS)协作。

Researchers detected the gravitational-wave signal on May 21, 2019, with the National Science Foundation’s LIGO (Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory (LIGO), a pair of identical, 4-kilometer-long interferometers in the United States, and Virgo, a 3-kilometer-long detector in Italy. The signal was dubbed GW190521.

弥补Ligo科学合作(LSC)和处女座协作的科学家团队已报告其在今天(9月2日)发表的两篇论文中的调查结果。一个,出现在物理评论快报,详细说明了引力波信号的发现,另一个细节astrophysical杂志,讨论信号的物理性质和天体物理学意义。

GW190521大规模的黑洞合并

说明合并黑洞的等级方案的艺术家概念。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。当大约66和85个太阳能群体彼此螺旋并合并时,这次活动被认为是发生的。理论模型表明,自然不太可能形成这种厚度的黑洞;特别地,模型识别在65到120的太阳能质量之间的一系列质量,称为“对不稳定性质量差距”,其中认为黑洞不能通过折叠的星形形成。那么Ligo和Virgo观察到的两个合并的黑洞是如何开始的?科学家认为,这些黑洞可能具有由两个较小的黑洞的早期合并形成的,如图所示。信用:LIGO / CALTECH / MIT / R.伤害(IPAC)

克里斯托弗·贝瑞(Chertopher Berry)西北塞拉的Ciera研究教授(跨学科勘探和天体物理学研究中心),是一个LSC编辑委员会审查员,用于发现论文。追逐Kimball,也是一个LSC会员和西北天文学博士学位。学生,促进了涵盖了GW190521的天体物理起源的分析。Kimball由贝瑞和Vicky Kalogera是贝尔斯特·LSC集团的主要调查员,Ciera和Daniel I. Liniel I. Linzer杰出大学艺术和科学学院的物理学和天文学教授。

“天体物理学中最大的谜团之一是超大质量黑洞是如何形成的?”贝里说。“他们就像屋子里数百万只太阳质量的大象。它们是从恒星质量的黑洞中生长出来的吗?这些黑洞是在恒星坍塌时产生的,还是通过一种未知的方式产生的?长期以来,我们一直在寻找中等质量的黑洞,以填补恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间的空白。现在,我们有证据证明中等质量黑洞确实存在。”

GW190521的信号,类似于四个短的Wiggles,在持续时间内非常短暂,持续不到十分之一。从研究人员可以说的话,当宇宙大约是当前年龄的一半时,它是由大约5千兆字符串的来源产生的,这意味着在到达地球之前,信号在空间跨越了70亿年的信号。GW190521的来源是到目前为止检测到最远处的重力波源。

“This doesn’t look much like a chirp, which is what we typically detect,” said Virgo member Nelson Christensen, a researcher at the French National Centre for Scientific Research, comparing the signal to LIGO’s first detection of gravitational waves in 2015. “This is more like something that goes ‘bang,’ and it’s the most massive signal LIGO and Virgo have seen.”

到目前为止,几乎所有被证实的引力波信号都来自于两个黑洞或两个中子星之间的双星合并。这次最新的合并似乎是迄今为止质量最大的一次,涉及两个质量分别约为太阳质量85和66倍的灵感黑洞。

GW190521大规模合并艺术

说明合并黑洞的等级方案的艺术家概念。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。当大约66和85个太阳能群体彼此螺旋并合并时,这次活动被认为是发生的。理论模型表明,自然不太可能形成这种厚度的黑洞;特别地,模型识别在65到120的太阳能质量之间的一系列质量,称为“对不稳定性质量差距”,其中认为黑洞不能通过折叠的星形形成。那么Ligo和Virgo观察到的两个合并的黑洞是如何开始的?科学家认为,这些黑洞可能具有由两个较小的黑洞的早期合并形成的,如图所示。信用:LIGO / CALTECH / MIT / R.伤害(IPAC)

“引力波观察是革命性的,”贝瑞说。“每个新检测都会改善我们对黑洞形式的理解。随着这些引力波突破,直到我们有足够的数据揭开黑洞诞生的秘密以及它们如何发展,它不会很长。“

Ligo-Virgo团队还测量了每个黑洞的旋转,发现,当黑洞圈在一起时,它们可以围绕它们的轴线旋转,成角度与轨道的轴线出现。黑洞的错位旋转可能导致他们的轨道摆动,或“精力”,因为两位歌剧队朝向彼此旋转。

新信号可能代表两个黑洞合并的瞬间。该合并创造了一个大约142个太阳能肿块的巨大黑洞,并释放了巨大的能量,相当于8周围的太阳能群众,以引力波的形式蔓延到宇宙中。

“Ligo再次惊喜我们不仅仅是在难以解释的大小的尺寸的检测,而且使用不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

这两个激发灵感的黑洞,以及最后一个黑洞的独特的大质量,引发了关于它们形成的一系列问题。

迄今为止观察到的所有黑洞都适合两类:恒星 - 质量黑洞,从几个太阳能群体向上升到几十个太阳能群体,并被认为是在大规模的恒星死亡时形成;或超大的黑洞,如在中心的一个银河系星系,这是我们太阳质量的数十万到数十亿次。

然而,由GW190521合并产生的142太阳质量黑洞位于恒星质量和超迹线孔之间的中间质量范围内。而这两个黑洞产生最终的黑洞也似乎是独一无二的。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,这可以留下一个黑洞。

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 - 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迄今为止在一对不稳定的质量差距内自信地检测到的。天体物理学家认为,从星星倒塌形成的黑洞,但是在西北的浆果中,这方面应该是不可能的85太阳质量的黑洞。

“有很多关于如何实现这一目标的想法 - 将两颗星合并在一起,将黑洞嵌入厚厚的材料盘中,它可以吞咽,或在后果中创造的原始黑洞大爆炸,“ 他说。“我真正喜欢的想法是一个分层合并,我们有一个由前一个较小的黑洞的合并形成的黑洞。”

分层合并是研究人员在第二篇论文中考虑的一种可能性。在分层合并中,两个原始黑洞本身可能是由两个较小黑洞的合并形成的,然后迁移到一起并最终合并。在西北大学其他研究人员的独立理论预测的指导下,Kimball、Berry和Kalogera一直在研究分层合并。

金博说:“自从2015年首次发现引力波以来,我们观测了这么多引力波,令人兴奋的是,宇宙仍在向我们抛出新的东西,而这个85倍太阳质量的黑洞是一个相当棒的曲线球。”

在GW190521的意义论文中,Kimball计算了合并率,这是天体物理解释的关键信息之一,并领导了计算源是分层合并的结果的概率。当考虑球状星团(由成千上万颗恒星和黑洞组成的稠密球体)中的合并时,分层合并的可能性大致相同,但对于星系稠密的中心地带的合并,可能性可能更大。

Kimball说:“虽然GW190521的起源是一个神秘的讨论,但我特别兴奋,它对它是分层合并的结果。在未来,拥有更多二元黑洞并可更好地了解对不稳定性的质量差距,我们应该能够更明确地说明GW190521的大黑洞本身是先前合并的产物。“

“此次活动开启了更多的问题,而不是提供答案,”加州理工学院物理学教授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'

关于GW190521有许多剩下的问题。

Ligo和Virgo探测器可以检测来自许多来源的引力波信号。在GW190521的情况下,信号足够短,即它可以被解释为除黑洞的二进制之外的东西,打开引力波从二元合并以外的新来源产生的非常小的机会。

“如果一个完全是新的制作这些引力波浪怎么办?”Kalogera说。“这是一个诱人的前景,在暗示论文中,科学家们在宇宙中简要考虑可能产生他们检测到的信号的宇宙中的其他来源。例如,可能在我们的星系中的一个倒塌的星星发出引力波。该信号也可能来自宇宙在最早的时刻膨胀后产生的宇宙字符串 - 尽管这些异国可能性都不匹配数据以及二元合并。“

Ligo和Virgo探测器完成了他们过去3月的最新观察。从该时段的数据仍在分析,并且预期包含更多的重力波信号。计划在完成工作以增加其检测范围后,计划恢复探测器以恢复观察;Ligo和Virgo探测器也将首次通过日本Kagra探测器加入。增强的全局探测器网络预计比以往任何时候都要制作更多的引力波发现。

“我们真的在引力波天文学的曙光中,”Kimball说。“很难选择更好的时间来拿出天体物理学家。”

参考:

“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

“Properties and Astrophysical Implications of the 150 Solar Mass Binary Black Hole Merger GW190521” by R. Abbott, T. D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, 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,astrophysical杂志
DOI:10.3847 / 2041-8213 / ABA493

1条评论“快速爆炸”信号是迄今为止发现的质量最大的引力波源

  1. 那么当引力波相互干扰时会发生什么呢?当重力波撞击杨氏缝或衍射光栅时会发生什么?重力波会红移吗.......?

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