天文學家發現了從未見過的雙黑洞系統

一年多前,在2019年4月12日美國雷射干涉儀重力波天文台與歐洲先進處女座干涉儀(LIGO與Virgo)聯手探測到了重力波,這是由距離24億光年遠的兩個黑洞碰撞後在時空中產生的波浪。不過,天文學家現在揭示,GW 190412的碰撞實際上是一個我們從未見過的事件。 GW 190412不是由兩個質量相等的黑洞所形成(太陽質量的20到40倍),反而GW 190412是由一對非常不對等的雙黑洞所形成。

根據它的重力波分析,天文學家發現,其中一個黑洞約為29.7太陽質量,而另一個黑洞的質量則小三倍,僅為8.4太陽質量,這是超乎想像的。這也是迄今為止檢測到質量最低的雙黑洞,這非常令人興奮,因為這表示它們合併產生的信號比任何其他黑洞合併都要長,因此有大量數據可以研究。

LIGO與西北大學的天文學家Christopher Berry表示:「這兩種質量本身都不令人意外,我們知道,黑洞的有這樣的大小,新的地方是它的質量比例。這發現讓我們以一種新的方式測試了對重力波信號的預測,這是理解雙黑洞如何形成的另一個塊拼圖。」

該發現已在美國物理學會四月的虛擬會議上發表。由於其他的重力波事件都是由質量大致相同的雙黑洞所產生,這反映在信號中,因為黑洞的質量相同,所以它們會返回到軌道上相對相同的位置。這導致重力波頻率大約是雙黑洞系統軌道頻率的兩倍,這是黑洞環繞彼此需要的時間。 不過,當系統存在重大的質量失衡時,軌道將變得不均勻, 這會產生第二個較弱的重力波頻率。這在GW 190412中被觀察到,它產生了兩個不同的頻率,就好像兩條吉他弦同時在振動一樣,是一個二分體的頻率。令人驚訝的是,這些頻率相隔五個音符,相當於純五度。 當你開始唱「一閃一閃亮晶晶」時,前兩個「閃」字會構成此音程。

這些頻率不僅非常酷,而且還使團隊能夠對廣義相對論進行另一項測試。 基本上,他們將重力波信號分為較早的部分和較晚的部分,並使用基於廣義相對論的方程式為早跟晚的信號計算它的另一半。早跟晚的信號與計算相符,產生了迄今為止該測試中最可靠的結果。根據合併的異常信號,該團隊也能夠進行更多的測量。 他們能夠確定比較大的黑洞正在旋轉,這通常很難測量,只有在其他兩次合併中才有暫時達成。

在GW 190412中,這種旋轉似乎非常快,這可能是這種不均勻雙黑洞如何出現的線索。 雙黑洞的形成有幾種天體物理模型,但大多數的模型都會產生大致上對等質量的雙黑洞。最明顯的是一個雙星系統,其中每顆恆星都坍縮成一個黑洞。 不過,科學家認為它們不能產生質量差異較大的雙黑洞,從而排除了GW 190412。黑洞有可能是分開形成的,然後以某種方式結合在一起,在軌道上互相捕捉。 但是較大黑洞的高自旋度暗示它可能在GW 190412之前就已經與其他黑洞合併了。如果黑洞是在一個三黑洞或四黑洞系統裡,有可能較大的黑洞已經與其他黑洞合併過了。 如果它們只是在一般的太空中漂浮,那麼合併帶來的後坐力將會擾亂系統,但在一種情況下它有可能會形成,那就是在星系中心活躍的超質量黑洞周圍的圓盤中。在那裡,極端的重力環境可能使恆星質量的黑洞經歷幾次連續的合併,而不會被後坐力踢掉。

目前不可能確定,但是透過LIGO與Virgo聯手每隔幾天進行一次偵測,我們可能不必等待太久就能找到答案。這二分體並不是GW 190412產生的唯一巧合。 Berry指出,兩個黑洞之間的質量比「大致等於普通的Oreo餅乾內餡比對無敵大Oreo餅乾內餡一樣。Oreo餅乾與黑洞形成之間關係的研究正在進行中。」

參考資料: LIGO

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