合併中的黑洞: 重力波提供宇宙如何運行的新洞悉

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合併中的黑洞(black hole)和重力波(gravitational wave) 的視覺化: NASA/J. Bernard Kelly (Goddard), Chris Henze (Ames) and Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)

9月14日,行進超過10億年的能量波在鄰近地球的時空,溫和地發出咯咯聲。這個由一對合併中的黑洞所產生的擾動,被設置在華盛頓州Hanford城市和路易斯安那州Livingston城市的LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,雷射干涉儀重力波天文臺)所捕獲。這個事件標示出第一次偵測到重力波,以及開啟宇宙如何運行的一扇新的科學櫥窗。

之後不到0.5秒,在NASA的Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope,費米伽瑪射線太空望遠鏡)上的GBM (Gamma-ray Burst Monitor,伽瑪射線爆發監測系統),從相同的天際地區撿起一個短暫的、微弱的高能光爆發。分析這個爆發,只有0.2%的機會是單純的隨機巧合。由黑洞合併引起的伽瑪射線會是一個里程碑的發現,因為黑洞被認為是’乾淨的’合併,不會產生任何形式的光。

阿拉巴馬州Huntsville (亨茨維爾)城市的國家太空科學科技中心(National Space, Science and Technology Center)的一位GBM小組成員暨一篇天文物理期刊正在加緊評論的論文的首席作者Valerie Connaughton說:「這是一個誘人的發現,帶著很低的機會是一個假的警訊。但在我們能開始重寫教科書之前,我們需要去看更多來自黑洞合併與重力波有關聯的爆發。」

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偵測來自重力波源頭的光,將能夠對事件有更深入的了解。Fermi的GBM觀看沒有被地球阻擋的整個天際,並且對能量在8千到4千萬eV(electro volt,電子伏特)之間的X射線和伽瑪射線很靈敏。做個比較,可見光的能量範圍大約在2到3eV之間。

有著寬闊的能量範圍和大片地區的視野,GBM是偵測來自短暫的伽瑪射線爆發(gamma-ray bursts,GBRs)的光最重要的儀器,這個光持續不到2秒鐘。它們被廣泛地認為發生在環繞像中子星和黑洞這樣緊密的天體,向內盤旋並碰撞在一起的時候。這些相同的系統也被懷疑是重力波主要的產生者。

麻薩諸塞州劍橋市的哈佛-史密松天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的一位博士後研究員暨LIGO科學合作成員Lindy Blackburn說:「就這麼一件聯合事件,伽瑪射線和重力波在一起將確切地告訴我們是什麼造成一個短暫的GBR。在這兩個觀察之間,有一個難以置信的共同作用。伽瑪射線的觀察,揭露出關於源頭的能量學細節與局部環境的細節,而重力波的觀察,提供了導致事件的一個獨特的力學探索。」星期二在鹽湖城,一場美國物理學會(American Physical Society)會議的受邀演講,他將會討論爆發以及Fermi與LIGO如何在一起運作。

現在,重力波天文台擁有相當模糊的視覺。當更多的設備開始運作,視覺將會隨著時間而改善。但對於9月的事件,在發生日期後被命名為GW150914 LIGO,科學家只能追蹤來源到一個跨越天際大約是600平方度(square degree)面積的弧形,相當於在地球被美國佔領的角面積(angular area)。

位於Huntsville城市的阿拉巴馬大學(University of Alabama )的一位GBM小組成員Eric Burns說:「尋找短暫的GRB非常像是在大海裡撈針,但那正是我們的儀器被設計來做的事。GBM的偵測,允許我們削減LIGO面積,並且大大地縮小大海。」

在LIGO偵測到重力波後的不到半秒,GBM撿起一束高能量X射線的微弱脈衝,持續只有大約1秒鐘。爆發有效地發生在Fermi之下,以及在一個到GBM偵測器的高角度,一種情況限制他們的能力去建立一個精準的位置。幸運的是,在被Fermi看到的那個時候,地球阻擋了一大片可能是爆發位置的帶狀地,允許科學家更進一步地縮小爆發的位置。

GBM小組計算出,小於0.2%的機會隨機變動會在如此近距離的合併發生。假設這些事件是相連的,結合GBM局部化和Fermi的地球視野,會降低3分之2LIGO的尋找面積到200平方度。加上爆發放置在對GBM偵測器更好的地方,或是一個足夠亮到被Fermi的大面積望遠鏡(Large Area Telescope)看到的光,更多的改善甚至是可能的。

LIGO事件是由兩個相當大的黑洞合併產生的,每一個黑洞大約是太陽質量的30倍。這麼大的雙黑洞系統被認為是不尋常的。這個系統的本質和來源依然存在很多的問題。

黑洞合併不被認為會輻射出X射線或伽瑪射線,因為環繞的氣體是被需要來產生光。理論學家認為任何在雙黑洞周圍的氣體,早在它們突然跌落之前就被清掃掉。對於這個理由,一些天文學家看待GBM爆發非常像是一個巧合,並且與GW150914無關。其他的天文學家發展出另一套方案,合併中的黑洞可能產生可看得到的伽瑪射線輻射。這要採取進一步偵測,來澄清當黑洞碰撞時,到底會發生什麼事。

一世紀前,愛因斯坦在他的廣義相對論中預測重力波的存在。然後有50年的時間,科學家一直企圖在偵測它們。愛因斯坦描述這些波像是時空結構中的漣漪,由大質量的、加速中的天體所產生,例如相互環繞的黑洞。科學家有興趣觀察和描繪重力波,來獲悉更多有關產生它們的來源,和有關重力本身。

來源: Sciencedaily