黑洞合并产生的引力波可以帮助检验广义相对论

黑洞合并适用1+1>2，对宇宙利大于弊？

“我从来没有奢望过在我的生命里会见证一个有关于这样的测量结果。”

模拟显示了两个黑洞的合并。(图片来源:SXS(模拟极端时空)项目)

科学家们发现了黑洞合并事件产生的引力波，这表明合并后的黑洞形成了一个稳定的球形。这些波频还揭示了组合黑洞可能比之前要大得多。﹒

当2019年5月21日首次探测到GW190521的引力波事件时，这自两个黑洞的合并，一个黑洞的质量相当于85个太阳，另一个黑洞的质量相当于66个太阳。科学家们认为，这次合并将因此产生一个大约142倍太阳质量的子黑洞。

然而，合并产生的黑洞的时空振动，随着空间分解成的球形，向外产生波状涟漪，比最初预测的还要大。质量是太阳的250倍，而不是142倍。

这些最终帮助了科学家更好地检验广义相对论。广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦1915年提出的引力理论，它首次引入了引力波和黑洞的概念。“我们真的在探索一个新的前沿，”加州大学的理论物理学家史蒂文·吉丁斯(Steven Giddings)在一份声明中说。

引力波和广义相对论

广义相对论推论，一定质量的物体会扭曲空间和时间的结构——统一成一个单一的四维实体，称为“时空”——我们所感知到的“引力”来自实体下的曲率本身。

就像把保龄球放在拉伸的橡胶片上比网球产生更明显的“凹痕”一样，黑洞比恒星在时空中产生更多的曲率，而恒星比行星多。在广义相对论中，黑洞是一个物质密度如此之大的点，它导致时空的曲率大到在一个被称为事件视界的边界上，连光都没有足够的速度逃离向内的凹痕。

这并不是广义相对论唯一的突破性预测。爱因斯坦还预言，当物体加速时，它们使时空的结构产生称为引力波的涟漪。物体质量越大，这种现象就越凸显直至极致。当黑洞这样的致密天体相互旋转时，它们的圆周运动不断加速，时空就像被敲响的钟一样围绕着它们，伴随着引力波嗡嗡作响。

时空中的波状涟漪消弥掉螺旋黑洞的角动量，反过来又导致黑洞的共同轨道收缩，使它们更紧密，增强了发射引力波的频率。黑洞在螺旋形地靠近，最终合并，形成了一个子黑洞，并向宇宙中发出高频的“啁啾”引力波。

关于引力波，爱因斯坦这位伟大的物理学家认为，时空中的这些涟漪非常微弱，哪怕在穿越宇宙数百万甚至数十亿光年之后，永远不会在地球上被探测到。

然而，2015年9月，位于华盛顿和路易斯安那州的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的双探测器表明，爱因斯坦是不正确的。他们探测到了GW150914，这种引力波，正与13亿光年外的黑洞合并有关。引力波信号的探测得益于激光干涉引力波天文台 2.5英里(4公里)长的激光臂之一的长度变化而来，它相当于质子宽度的千分之一。

从那以后，LIGO和其他引力波探测器——意大利的处女座和日本的神冈引力波探测器——探测到了同类事件，达到了每周探测到一个引力波事件的水平。即使在如此丰富的引力波探测中，GW190521也脱颖而出。

一次深入的引力波事件

模拟黑洞合并事件，产生了一个质量是太阳250倍的黑洞。(图片来源: 激光干涉引力波天文台/处女座)

GW190521信号背后的两个黑洞位于距离地球88亿光年的地方，它们的合并频率非常低，只有在黑洞的最后两个轨道上，频率才变得足够高，足以达到LIGO和处女座的灵敏度极限。

这项新研究背后的团队——不是LIGO/处女座合作项目的一部分——极力探索黑洞在猛烈碰撞和合并过程中可能通过发出的信号中发现什么信息。

他们发现，在两个黑洞相撞的瞬间，黑洞的形状是不平衡的，在呈球形时相对稳定，意味着在合并的仅仅几毫秒内，子黑洞必须呈现出球体的形状。

正如钟的形状决定了钟响的频率一样，研究小组表示，随着这个新黑洞形状的改变并趋于稳定，引力波的频率也发生变化。这些 “环降”引力波包含了子黑洞的质量和旋转速度的信息。

——碰撞的黑洞带着引力波涟漪穿越时空

——碰撞的黑洞可能隐藏在超亮类星体的光线中

——在早期宇宙的“宇宙正午”发现了两个合并的超大质量黑洞

这意味着，与使用螺旋过程中产生的引力波的传统方法相比，这种合并产生的引力波为科学家们提供了一种测量合并黑洞特性的替代方法。

研究小组在GW190521引力波信号中发现了两个不同的环降频率，如果合并考虑，就会得出这个黑洞的质量是250个太阳质量，质量比利用螺旋引力波要大得多。引力波的探测让该团队感到震惊。

“我从来没有奢望过在我的生命里会见证一个有关于这样的测量结果。”

该研究的合著者、拉德堡大学(Radboud University)的物理学家巴德里·克里希南(Badri Krishnan)说。

该团队的研究详细发表在11月28日发表在《物理评论快报》上的一篇论文中。