宇宙传来了"高低声部二重奏"引力波,它是如何形成?

2018-09-14 04:55

引力波,曾是爱因斯坦在1916年发表的广义相对论的一项重要预言——大意是指,有质量的物体,会使它周围的时空发生扭曲,在空间中发出类似水波一样的“涟漪”。

黑洞相互旋转产生引力波

  而由于技术和观测手段所限,引力波在一百年来都只停留在理论层面。直到2016年初,引力波天文台LIGO首次公布了来自银河系外合并的双黑洞系统的引力辐射。这一发现将爱因斯坦引力波的理论从预言变为了实证,也开启了引力波天文学新时代。

  而在这之后,更多的“引力波事件”被观测和证实——科学家们先后发现了五次双黑洞并合和一次双中子星并合事件。

LIGO检测到的来自黑洞合并发出的引力波。图片来源:LIGO

  类似两掌相击只能发出一声,两个黑洞(或两个中子星)参与的碰撞事件也只能发出一个信号。与此同时,引力波源发出的信号(啁啾信号)有一个鲜明的特点:它们的频率会随着时间的推移变得越来越高。

  如果把双星合并引力波源比作宇宙中的乐器,那么它只能在宇宙中一直做“爬音”练习,随时间延续奏出频率越来越高的声音,但是却不能同时奏出高低不同的两个声部。那么,假如有一天,宇宙中传来了“高低声部二重奏”的引力波,它会是如何形成的呢?

  近日,来自北京大学的陈弦研究员和上海天文台的韩文标研究员共同合作,就阐释了这样一类新的引力波源的形成和演化过程。这一结果已发表在9月10号出版的自然子刊《通讯物理》(Communications Physics)上。

  那么,这一新理论中提到的引力波究竟是“何方神圣”?它对引力波天文学的后续研究又有何意义?我们采访了这项的研究者——陈弦和韩文标请他们详细解答了这一理论的价值。

陈弦(图左)和韩文标(图右)

  现在已知并得到证实的引力波来源有哪些?

  韩文标:

  现在已知的引力波源来自于恒星级双黑洞的并合以及双中子星的并合。我们至今已经观测到5次双黑洞的碰撞(其中一次未完全确认),这些黑洞的质量差不多在10-30太阳之间。去年8月17号,还观测到了双中子星的碰撞事件,除了引力波外,还辐射出大量电磁信号。这些引力波都是由两个致密天体的碰撞产生的,还没有看到三个天体产生的引力波信号。但科学家已经设想了多种三体系统中发出引力波的可能性,我们的研究是其中的一种,而且是很特别的一种。

至今已经观测到5次双黑洞碰撞(其中一次未完全确认)和一次双中子星的碰撞事件。图片来源:LIGO

  这种特别的引力波源具体指什么呢?

  陈弦:

  我们本次研究讨论了一个三体系统构成的引力波源。具体来说,它是由一个百万太阳质量以上的超大黑洞捕获一对恒星级双黑洞形成的。之前的研究普遍认为小的双黑洞要么早早相撞合二为一、要么被大黑洞的潮汐力拆散。而我们的研究表明,恒星级双黑洞有机会一直存活到距离大黑洞很近的地方,这样一来,恒星级双黑洞可以在大黑洞视界附近并合,并辐射引力波;同时,恒星级双黑洞绕转超大质量黑洞也会辐射引力波。我们把这个系统命名为极端质量比旋进双星(b-EMRI)。

由超大质量黑洞和恒星级黑洞组成b-EMRI系统。 韩文标供图

  这种新的波源有什么特征?

  韩文标:

  恒星级双黑洞的碰撞辐射高频引力波(几十到数百赫兹),同时双黑洞绕转超大质量黑洞还辐射低频引力波(毫赫兹)。因此我们研究的这个三体波源可以同时发出低频、高频两种引力波,就像高、低两声部同时进行演奏,所以形象地称之为“二重奏”引力波源。其中低频持续的时间长,高频持续的时间短。

“二重奏”引力波(b-EMRI)源的演化示意,图片汉化自参考文献[1]

  如何探测这种波源呢?

  陈弦:

  这种二重奏的引力波,其低频部分能够被空间引力波探测器,比如欧美的激光干涉空间天线(Laser Interferometer Space Antenna,简称“LISA”)和中国提出的“太极”、“天琴”等探测到;而其高频引力波信号可以被LIGO等地面引力波设备观测到。如果这两个独立观测到的信号认定是同一个系统发出的,并满足相应的特征,那我们就能肯定探测到这种源了。

LIGO天文台。图片来源:LIGO

  这种源的重要意义是什么?

  韩文标:

  双黑洞碰撞后会发生一种非常有意思的现象,叫“引力反冲”,并合后的黑洞会以高达上千公里每秒的速度弹射出去。借助于这种二重奏源,我们很有希望探测到这种反冲速度,从而测量引力波携带动量的多少。同时,可以精确称重黑洞碰撞造成的质量损失。另外,这种源发生的概率,和星系中心区域的天体的演化、分布以及运动关系很大。

  这项研究在国际上的影响如何?未来将怎样发展?

  陈弦:

  LISA科学组以及国内的空间引力波探测计划都对我们提出的这一新型引力波源很关注。b-EMRI系统因其独特的多波段观测特性,一旦被观测证实,将有助于人们进一步理解相对论性星团动力学、引力波的产生和传播、以及强引力场中的多种非线性过程(如引力辐射造成的反冲,质量亏损等)。空间探测器计划2030年后陆续施行,将对研究引力波及其他天文探测工作起到重要支持,我们期待那一刻的到来。


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