LIGO发现最大黑洞 距地球90亿光年

2018-12-05 13:36:12 来源:www.tansuoyuzhou.cn 作者:张龙

     

    2015年9月14日,就在LIGO首次开启,其灵敏度较高且改进后的探测器,引力波穿过地球。就像在其历史进程中通过地球的数十亿个波浪一样,这个波浪远离我们银河系,是由两个巨大的超远距离物体,合并和碰撞产生的。距离超过十亿光年,两个巨大的黑洞已经合并,并且以光速移动 -最终到达地球。

    但这一次,双LIGO探测器看到它们的手臂,以亚原子量膨胀和收缩,但这足以使激光移动并产生干涉图案的明显变化。我们第一次发现了引力波。三年后,我们发现了其中的11个,其中10个来自黑洞

    LIGO数据有两个“运行”:从2016年9月12日到2016年1月19日的第一个,然后是第二个,从2016年11月30日到2017年8月25日,灵敏度略有提高。后者运行的是在中途,由意大利的VIRGO探测器连接,不仅增加了第三个探测器,而且显着提高了我们确定这些引力波发生位置的能力。LIGO目前正在关闭,因为它正在进行升级,这将使其更加敏感,因为它准备开始在2019年春季进行新的数据采集观测。

    11月30日,LIGO科学合作发布了改进分析的结果,该分析对大约1到100个太阳质量的物体之间的合并的最后阶段很敏感。

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    到目前为止已经进行的11次探测如上图所示,其中10次代表黑洞 - 黑洞合并,只有GW170817代表中子星 - 中子星合并。那些合并的中子星是最近的事件,仅在130-140万光年之外。看到的最大规模的合并 - GW170729 - 来自一个地方,随着宇宙的扩张,现在距离我们90亿光年。

    这两次探测也是迄今为止探测到的最轻和最重的引力波合并,GW170817碰撞1.46和1.27太阳质量中子星,GW170729将50.6和34.3太阳质量黑洞碰撞在一起。

    以下是我们从所有这些检测结果中学到的五个令人惊讶的事实。

    1.)最大的合并黑洞是最容易看到的,它们看起来不会超过大约50个太阳质量。寻找引力波的最好的事情之一就是它比远离光源更容易看到它们。恒星与它们的距离平方成比例变暗:距离10倍的恒星只有亮度的百分之一。但是引力波与距离成正比较暗:将黑洞合并10倍的距离产生10%的信号。

    因此,我们可以看到非常大的物体到很远的距离,但我们看不到与75,100,150或200+太阳质量合并的黑洞。20到50太阳质量是常见的,但我们还没有看到任何东西。也许由超大质量恒星产生的黑洞确实很少见。

    2.)添加第三个探测器既可以提高我们定位的能力,又可以显着提高检测率。LIGO在第一次运行期间运行了大约4个月,在第二次运行期间运行了9个月。但是他们的检测中有一半,是在最后一个月内发生的:当VIRGO与它同时运行时。2017年以下方面检测到引力波事件:

    7月29日(50.6和34.3太阳质量黑洞),

    8月9日(35.2和23.8太阳质量黑洞),

    8月14日(30.7和25.3太阳质量黑洞),

    8月17日(1.46和1.27太阳质量中子星),

    8月18日(35.5和26.8太阳质量黑洞),

    8月23日(39.6和29.4太阳质量黑洞)。

    在最后一个月的观察期间,我们每周都会发现多个事件 。当我们对更远的距离和更小幅度的低质量信号变得敏感时,我们可能会在2019年开始每天看到多达一个事件 。

    3.)当我们检测到的黑洞发生碰撞时,它们在峰值处释放的能量比宇宙中所有恒星的总和还多。我们的太阳是我们了解所有其他恒星的标准。它闪耀得如此明亮,它的总能量输出 - 4×10 26 W - 相当于每隔一秒将400万吨物质转化为纯能量。

    在可观测的宇宙中估计有大约10颗23颗恒星,在任何给定时间内,在整个天空中闪耀的所有恒星的总功率输出大于10 49 W:在整个空间中散布出巨大的能量。但是在二元黑洞合并的高峰期短暂的几毫秒内,观测到的10个事件中的每一个都在能量方面超过了宇宙中所有恒星的总和。(尽管数量相对较少。)不出所料,最大规模的合并排在榜单之上。

    4.)在这些合并期间,通过爱因斯坦的E = mc 2,两个黑洞总质量的约5%被转换成纯能量 。这些黑洞合并产生的空间涟漪需要从某个地方获取能量,而现实地说,这必须来自合并黑洞本身的质量。平均而言,根据我们所见到的引力波信号的大小以及重建的距离,黑洞在它们合并时会损失约5%的总质量 - 将其转换为引力波能量。

    GW170608是最低质量黑洞合并(10.9和7.6太阳质量),将0.9太阳质量转化为能量。

    GW150914是第一个黑洞合并(35.6和30.6太阳质量),将3.1太阳质量转化为能量。

    GW170729是最大规模的黑洞合并(50.6和34.3太阳质量),将4.8太阳质量转化为能量。

    这些事件在时空中创造了涟漪,是自大爆炸以来我们所知道的最具活力的事件。它们比任何中子星合并,伽马射线爆发或超新星产生的能量都要多。

    5.)到目前为止我们所看到的一切,我们完全可以期待有更低质量,更频繁的黑洞合并等待观察。最大规模的黑洞合并产生最大幅度的信号,因此最容易发现。但是,随着音量和距离的相关方式,两倍的距离意味着包含八倍的音量。随着LIGO变得更加敏感,与近距离的低质量物体相比,更容易发现距离更远的大型物体。

    我们知道那里有7,10,15和20个太阳质量的黑洞,但是LIGO更容易发现更远的一个更大的太阳质量。我们预计会有质量不匹配的黑洞二进制文件:其中一个比另一个更大。随着我们的敏感度的提高,我们预计会有更多的这些可以找到,但最重要的更容易找到。我们预计最大规模的搜索将主导早期搜索,就像“热木星”主导早期的系外行星搜索一样。随着我们越来越好找到它们,预计会有更多的低质量黑洞

    当第一次引力波探测被宣布时,它被预示为引力波天文学的诞生。当伽利略首次将望远镜指向天空时,人们把它比作它,但它远不止于此。就好像我们对引力波天空的看法一直笼罩在云层中,并且我们第一次开发了一种装置来观察它们,如果我们得到足够明亮的引力源:合并黑洞或中子星。引力波天文学的未来有望通过让我们以全新的方式看待它来彻底改变我们的宇宙。而未来已经到来; 我们正在看到劳动的第一批成果。

    随着我们的技术进步,我们获得了不断改进的能力来透过这些云:看到更暗,更低质量和更远的引力源。当LIGO在2019年再次开始采集数据时,我们完全期望更大的~30太阳质量黑洞合并率,但我们希望最终知道低质量黑洞正在做什么。我们希望看到中子星黑洞合并。我们希望能够更远地进入宇宙的遥远之地。

    现在我们已经将它变成了检测到的事件数量的两位数,现在是时候走得更远了。随着LIGO和VIRGO的全面运作,以及比以往更好的灵敏度,我们已准备好在探索引力波宇宙方面更进一步。这些合并的巨大恒星残骸只是一个开始。是时候参观恒星“墓地”,找出"骷髅"真正的样子。