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Jun. 13 2017

再度發現重力波,揭露奇異黑洞!

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  • 再度發現重力波,揭露奇異黑洞!

這兩個比預期質量還要更大的黑洞,在30億年前相撞,傳出的重力波衝過地球。

這張想像圖描繪出遙遠宇宙中的兩個黑洞合併的景象。最近偵測到的重力波訊號,就是源自這起事件。/ IMAGE COURTESY AURORE SIMONNET, LIGO, CALTECH, MIT, SONOMA STATE

很久以前,在一個遙遠的星團……有兩個奇異的黑洞相撞,合而為一,釋放出的巨大能量扭曲了時空本身的結構。

現在,地球上的儀器偵測到了這場遙遠宇宙災難的微弱漣漪,這是第三次直接確認偵測到重力波。這幾次偵測,都是由雷射干涉重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)達成,為我們探索宇宙開啟了一扇新窗戶。

很重要地,這些重力波攜帶了遠方源頭的資訊,而分析的結果會挑戰一連串的觀念:像是黑洞怎麼成長、位在哪裡,而這兩顆黑洞又是如何以激烈的死亡之舞結束一生。

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「宇宙仍然還有我們不了解的奧祕,」加拿大麥基爾大學的天體物理學家達伊爾.哈加德(Daryl Haggard)說:「我們以為已經夠了解黑洞是怎麼產生的,但現在我們才知道,原來還有很多未知等待我們去發現。」

形成黑洞

LIGO在今年的1月4日,偵測到最新一起黑洞相撞事件所產生的重力波,但這起相撞事件的發生時間,其實是在大約30億年前。這個重力漣漪衝過地球,但由於非常微弱,只輕輕搖晃了位處不同兩地、但完全相同的兩套雷射和反射鏡組。這兩套裝備分別位於美國路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德。

重力波將地球的空間壓縮、延伸,但尺度還不到一個質子(形成原子核的其中一種粒子)的直徑。人類當然無法感受到這樣的空間變化,但是LIGO的偵測器非常靈敏,即使這樣微小的擾動,也逃不過雷射的法眼。

LIGO的團隊在仔細分析信號後,確定這是兩個黑洞發生災難性碰撞所留下的線索,其中一個黑洞的質量大約相當於30個太陽,另一個則是相當於19個太陽。

這兩個黑洞一直繞著彼此旋轉,度過千古歲月,也慢慢地被彼此吸引,成為宇宙的死亡螺旋。隨著這兩個黑洞逐漸接近,黑洞以重力波的形式輻射出能量。最後當兩個黑洞終於相撞、合體時,也以這種宇宙漣漪的形式釋放出更多能量。

這兩個互相繞轉的黑洞相撞後產生的單一黑洞非常巨大,這個彎曲的無底時空結構,質量相當於50個太陽。研究團隊在6月1日於《物理評論快報》發表他們的結果。

奇特的大質量黑洞

LIGO分別在2015年9月和2015年12月偵測到前兩次重力波事件,這兩次也都是因為黑洞碰撞而產生。不過,三次重力波事件中,有兩次的相撞黑洞質量都比天體物理學家原本預估的要大很多,這實在令人費解。

這些事件告訴科學家,對於所謂的恆星黑洞,他們自以為已經很了解了,但其實並不盡然如此。

如果一顆恆星的質量比太陽大很多,在它爆炸死亡後,留下的殘骸就是恆星黑洞。或許你會很天真地認為,恆星的質量越大,殘骸的質量也就越大。但天體物理學家可不這麼想。

相反地,恆星的質量越大,恆星所吹出來的風也就越大,在恆星漫長的一生中,狂暴的恆星風會將物質吹向太空。到了恆星行將就木之時,已經拋出了大量的質量,最終坍縮成一個質量相對較小的黑洞。

美國賓州州立大學的天體物理學家斯坦恩.西格桑(Steinn Sigurdsson)表示,幾十年來的理論和觀察都認為,恆星黑洞的質量約略不會超過十個太陽。但是,LIGO發現的好幾個黑洞,質量明顯要比這個先前預估的極限要來得更大──雖然遠遠不及星系中心的超大質量黑洞。

美國喬治亞理工學院的LIGO團隊成員蘿拉.卡多納蒂(Laura Cadonati)說:「在我們發現之前,甚至不知道這些黑洞存不存在。現在,天體物理學家得努力解釋,要怎麼形成這麼奇特的天體。」

「我們必須找出方法,來解釋這些黑洞為什麼這麼的巨大,」哈加德說:「自從第一次偵測到重力波後,這就讓我們很頭大。依我們目前的模型,無法完全排除30個太陽質量黑洞這種可能性。但我還是有點驚訝,因為這些新發現的黑洞真的很大。」

有種理論解釋了這些黑洞是如何形成的:這些漸漸步向毀滅的巨大恆星,主要是由氫和氦組成,使得恆星風沒有那麼劇烈,質量損失也較少。當這些恆星死亡時,最終坍縮形成的黑洞,質量也就比較大。

我們過去常在球狀星團裡看到這類恆星,或是一整群非常年老的密集恆星,繞著星系(包含我們自己的銀河系)旋轉。

恆星的生與死,宇宙中的絕妙美景

雙黑洞的起源故事?

LIGO的另一項證據,支持了球狀星團在成對的大質量黑洞形成過程中,扮演重要角色的想法。

LIGO的團隊可以從重力波信號,推斷出許多黑洞合併前的特徵──包括黑洞自轉的方向以及自轉軸的指向。卡多納蒂表示,根據這些資訊,碰撞似乎是在球狀星團內發生的。

雙重黑洞起源的其中一個理論,是一對在同一團雲氣中誕生、且彼此環繞的大質量恆星死亡時,它們的殘骸繼續互繞旋轉,這通常會形成兩個自轉方向和定向相似的黑洞。

但LIGO最新偵測到的資料顯示,這兩個黑洞的自轉並不完全一致。因此這兩個黑洞,可能是在球狀星團內距離很遠的地方形成的,之後沉入星團的中心,在那裡才捲入不幸的死亡螺旋。

這兩個黑洞的命運,由星團核心的動力學和混沌所造化,而非畢生都在近距離繞著彼此旋轉。西格桑說,這個解釋似乎符合目前的數據,但西格桑也說,沒有理由認為正確的答案只有一種。

西格桑說:「我個人是認為,雙重黑洞在銀河場內和星團內都會發生,但在星團內,可能會在遙遠距離的情況下,產生我們觀察到的這類大質量黑洞。」

「這開始讓我們知道黑洞的族群有哪些、它們來自何處等,在我今年夏天舉辦的研討會上,肯定也會掀起一番論戰。」

隨著LIGO偵測到更多數據,答案也會愈來愈具體,天文學家會修改理論以符合新的觀測資料,我們預期很快就能得到部分解答。

哈加德說,LIGO的數據已經挑戰了許多恆星演化和星團的概念,甚至是神祕物質「暗物質」的某些想法。但是,愛因斯坦的廣義相對論仍屹立不搖:LIGO的數據與廣義相對論的預測非常一致。

「研究這些黑洞如何誕生的天體物理學,完全就像是個災難,」哈加德說,「但物理學是很簡潔的。」

撰文:Nadia Drake

延伸閱讀>> 聽見黑洞相撞的聲音 / 天文學家可能終於得到第一張黑洞影像!

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