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两星团将“接吻”

不过,这正是地球上的物理学家一直在等待的灾难类型。去年9月14日,当这些涟漪扫过最新升级的激光干涉引力波天文台时,它们以峰值的形式在美国路易斯安那州和华盛顿州两台L形探测器的读数上露面。这是科学家第一次记录下引力波信号。

2010年,该研究第一作者、天体物理学家保尔·克劳瑟于和他的同事在星团R136中发现4颗超大质量恒星时,很多天文学家感到非常惊讶。因为它们的质量超出了公认的恒星质量的上限。现在,最新普查发现的5颗庞然大物,再次提出超大质量恒星是如何形成的问题,因为它们的起源依然不为人知。

主持人:实习记者 于紫月

反过来,知道事件发生的方向将会消除在确定其到地球的距离时存在的最大不确定性之一。Virgo发言人、罗马智慧大学物理学家Fulvio
Ricci介绍说,从精确垂直于探测器的方向趋近的引力波将会在它们的实际振幅上被记录下来。然而,根据一个熟知的公式,来自天空中其他方向的引力波将以一定的角度撞击探测器,并且产生某种程度上相对较弱的信号。这其中甚至会有一些盲点,导致既定的探测器根本无法发现引力波来源。

这9颗超大质量恒星不但质量极大,而且极为明亮,它们加在一起亮度是太阳的3000万倍。除此之外,科学家还在这个星团中发现十几个质量超过太阳50倍的恒星。

日前,加拿大韦仕敦大学物理和天文学系的研究人员在《天体物理学杂志快报》上发表论文,提出了可以解释超大质量黑洞质量和光度分布的“直接坍塌”理论。

科学家认为,Ⅱ型超新星不应当产生比太阳质量大30倍左右的黑洞,而上述两个黑洞均处于这一区间的高端。这意味着,该系统形成于比通常在银河系发现的气体云更加富含氢和氦但相对缺乏重元素的星际气体云中。

天文学家利用哈勃太空望远镜在星团R136中发现超大质量恒星群。

超大质量黑洞哪里来

推测出的两个黑洞的质量也正在揭示一些事情。根据推断,每个黑洞都是一颗大质量恒星的残留物,其中较大恒星的质量接近太阳质量的100倍,而另一颗要小一点。研究发现,和较轻的恒星相比,热核反应能将此类恒星核心处的氢以快很多的速度转化成氦,而这导致它们仅在“出生”的几百万年后,便在自身的压力下崩塌。这种崩溃释放的能量引发了被称为Ⅱ型超新星的爆发,并且留下一个变成中子星的残留核心。如果它的质量足够大,则会变成黑洞。

这一超大恒星群中的5颗恒星为最新发现,其质量均在太阳的100倍以上。另外4颗在2010年发现,其质量均在太阳的150倍以上。它们是目前科学家发现的最大的恒星样本。研究结果将发表在英国《皇家天文学会月刊》上。

天文学家们首次发现了两个即将相撞的巨型星系团,这对于人们探索宇宙形成过程具有重要意义。该研究成果近日发表在《自然·天文学》杂志上。

双星黑洞会以引力波的形式辐射大量轨道能量。图片来源:Mark Garlick

天文学家还通过紫外线研究了这些庞然大物释放出的能量,并发现它们每个月都以1%的光速喷射出相当于地球质量的物质。也就是说,它们短暂的生命一直在经历剧烈的“减肥”过程。

揭示外海王星天体成因

更多此类事件应当会出现。自去年9月起,升级版LIGO被安排和其欧洲“同行”——由法国和意大利主导的升级版Virgo设施共同观测。升级版Virgo位于意大利比萨附近,其不仅将为此类事件贡献关键细节,还会帮助天文学家比此前更加精确地测量宇宙学距离。

该研究合作者赛义达·卡巴列罗-涅韦斯解释说,有迹象表明这些庞然大物可能是由双星系统中质量稍小的恒星合并而成的。但从已经了解到的超大质量恒星的合并频率来看,这个理论无法解释星团R136中出现的所有的超大质量恒星,因此这些恒星似乎有自己的起源过程。为了找到这一问题的答案,该研究团队将继续分析收集到的数据集。

有助探索宇宙形成过程

不过,这两个黑洞是如何在二元体系中终结的?在报告此项发现的论文发表的同时,LIGO和Virgo团队在另一篇文章中描述了两种普遍认可的场景。

据美国国家航空航天局官网报道,星团R136的宽度只有几光年,坐落在蜘蛛星云,距地球约17万光年。这一年轻的星团中有很多质量极大、明亮炽热的恒星,它们的能量主要以紫外线的方式辐射出来。天文学家也正是通过紫外线发现了这些超大质量恒星的存在。

近日,东京工业大学地球生命科学研究所的研究团队,利用复杂的计算机模拟,揭示了所谓的外海王星天体的形成原因。研究团队进行了400多次大型撞击模拟和潮汐演化计算发现,根据大型TNO卫星系统的大小和轨道,TNO最可能由熔融的前身星撞击形成。

在宇宙尺度上,这次事件是灾难性的——黑洞合并令周围的时间和空间结构发生剧烈摇晃,并且在整个宇宙以光速发出一阵被称为引力波涟漪的时空振动。

直接坍塌理论假设超大质量黑洞在非常短的时间内形成,然后在短时间内快速成长,最后由于宇宙中其他黑洞和恒星所产生的辐射而停止扩大。

荷兰内梅亨大学天文学家、升级版Virgo协作组成员Gijs
Nelemans介绍说,根据天体物理学家的估算,形成于此类低金属度气体云的恒星应当在爆发时更容易形成大质量黑洞。这是因为在超新星爆发期间,较小的原子被爆发吹走的可能性更小。因此,低金属度恒星“失去更少的质量,更多质量则进入到黑洞中”。

betway88,星系团由数百个星系组成,而每个星系都包含数千亿颗恒星。自从宇宙大爆炸以来,这些星团通过碰撞和合并不断“长大”。由于它们体积庞大,碰撞可能需要大约10亿年才能完成,最后合并成一个更大的星团。

尽管探测到更多此类事件将帮助LIGO开展很多科学研究,但它的干涉仪具有内在的局限性,因此同目前正在上线的类似探测器构成的全球性网络共同努力变得很有必要。

研究人员曾利用计算机模拟星团的碰撞过程——在最初的瞬间,两星系团之间产生激波,垂直于合并轴向外传播。本次发现则可以测试现有的模拟模型。“这些星系团给出这种合并冲击的首个明确证据。”文章第一作者、日本理研所及荷兰太空研究所研究人员顾立义表示,这次冲击在星系团之间形成了一个温度高达一亿摄氏度的热带区域,预计这一区域将会延伸到甚至超过巨型星系团的边界。

最简单的场景是,两颗质量巨大的恒星以双星系统的形式诞生,并由像双黄蛋一样的相同星际气体云形成,且自此相互围绕运行。在几百万年后,其中一颗恒星将会燃尽并且变成超新星,另一颗也很快紧随其后。结果便是一个双星黑洞。

在过去的十几年里,人类发现了许多数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,当前流行的恒星残骸坍塌理论无法解释此现象。而最新的“直接坍塌”理论可解决这一问题。

这样的情形几乎是史无前例的:按照惯例,天文距离需要通过研究处于太阳系到遥远星系范围内的已知天体的亮度计算得出。然而,中间的天体会让这些测得的“标准烛光”的亮度变暗淡。引力波则摆脱了这种限制。

天文学家计划收集更多的“快照”,最终建立一个描述星团合并演化的连续模型。

这个以其出现日期被正式命名为GW150914的信号,被恰当地誉为物理学的里程碑。它为阿尔伯特:爱因斯坦的百年广义相对论提供了大量证据。广义相对论认为,物质和能量会扭曲时空,引力则是此类扭曲的结果。在伊利诺伊大学香槟分校开展相对论计算机模拟的Stuart
Shapiro,将最新发现视为“自广义相对论提出以来,对其进行的最重要确认”。

TNO是一组比行星小,但比在海王星之外绕太阳系运行的彗星大的天体,了解它们的起源可以为整个太阳系的起源提供重要线索。与地球等行星一样,TNO通常有自己的卫星。

首先,对于科学家来说,LIGO的两台干涉仪并不足以精确地判定引力波来自何处。研究人员能通过比较信号到达每台探测器的时间获得一些信息:这种差别使其得以计算引力波相对于在两者间所划假想线的方向。不过,对于记录了6.9毫秒时间差的此次事件来说,科学家的计算仅将范围限制在一大片南方天空。

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通过利用计算机模拟重现此次事件,科学家计算得出,两个黑洞分别是太阳质量的约36倍和29倍,并且合并后的黑洞是太阳质量的约62倍。失去的差值是太阳质量的3倍左右,以引力辐射的形式散开。其中,大部分是在被物理学家称为“衰荡”的阶段消散的。此时,合并的黑洞变成球形。该团队还推测,最终的黑洞可能以每秒100转的速度旋转,尽管这一估测的误差幅度很大。

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由莱顿大学天体物理学家Simon Portegies
Zwart运行的模拟表明,大质量恒星更有可能在碰撞和合并更加常见的致密星团中形成。他还发现,一旦双星黑洞系统形成,星系团中心复杂的动力学机制可能会以很高的速度将两颗恒星踢走。升级版LIGO探测到的双星或许在合并前已有几十亿年的时间远离任何星系。

现在有了新理论

《中国科学报》 (2016-04-20 第3版 国际)

计算机仿真计算

黑洞碰撞重塑物理 来自太空重要信号开启引力波天文学新时代

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不过,此次事件还标志着期待已久的引力波天文学时代的开启。对该信号的详细分析,已收获了关于合并黑洞性质以及它们如何形成的深入见解。随着更多此类事件的出现(LIGO团队正分析在探测器4个月的运行中捕捉到的若干其他候选事件),研究人员将能分类并理解黑洞的起源,就像他们正在对恒星所开展的工作那样。

第二种场景是两颗恒星独自形成,但内部仍是拥有相同密度的星团——可能类似于围绕银河系运行的球状星团。在这样一个星团中,大质量恒星会向中心沉降,并且通过和较轻的恒星产生复杂的互动形成双星系统,而这可能是在它们转变成黑洞的很久之后发生的。

如果Virgo上线运行,科学家便能通过比较引力波到达3个地方的时间,极大地缩小方向范围。在第四台干涉仪的帮助下,他们的精确度将会进一步提高。目前,日本正在建造一台被称为KAGRA的地下干涉仪,而印度也在规划自己的LIGO。

因此,判定方向将揭示引力波的确切振幅。通过将这一数据和源头处引力波的振幅进行比较,以及通过知晓振幅如何随着距离缩减(可从爱因斯坦的理论得出),研究人员便能以更高的精度计算出源头的距离。

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“就是它!”LIGO团队成员、芝加哥大学天体物理学家Daniel
Holz说:“它是如此的强烈和美丽,在两台探测器上都是这样。”尽管信号的形状在理论中很常见,但Holz表示:“当你在数据中看到一些东西时,会发现它完全不同。这是一个神圣的时刻。”

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