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解码引力波信号 “弦外之音”验证黑洞“无毛”形象

在宇宙中,能够吞噬一切光线和物质的黑洞,像一个神秘莫测的影子。百余年来,它频频被人类所“察觉”,却又总是难以理解。4年前,两个黑洞合并产生的引力波信号被捕捉到,科学家将引力波转化成声波,人类开始“听”到黑洞。5个月前,全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容,人类终于“看”到了黑洞。

  近日,人类再次破译黑洞密码。科研人员在《物理评论快报》刊文称他们“听懂”了一个新生黑洞的“声音”。并发现通过分析这种“发声”模式的特征,可以得到黑洞的质量和自旋。这一结果,与用其他方法分析黑洞合并产生的引力波信号得到的新生黑洞的质量和自旋一致,进而证明了爱因斯坦广义相对论是正确的,黑洞作为“秃顶巨人”的无毛定理,也被验证。

  “钟响”中包含黑洞属性


  100多年前,爱因斯坦的广义相对论曾预言,如果两个黑洞在宇宙中碰撞,会合并产生一个新的黑洞,其诞生后的“振动”,即引力波,就像被撞击的钟一样,产生反向声波向外传播。然而,100多年过去了,新生黑洞及其产生的引力波仍然是个谜团,迟迟未被人类窥探。

  2015年9月14日,科学家用美国激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到,在13亿光年外,两个黑洞相互绕转、扭曲地融合在一起,辐射出携带着黑洞的质量和自旋信息的引力波。这个事件被命名为GW150914。

  当科学家们消除探测器噪音并放大引力波信号后,他们观察到了一个波形,该波形在衰减之前会迅速增强。当他们把这个信号转换成声音时,听到了类似“唧唧”的声音。

  “引力波发出的‘唧唧’的声音是一种形象的比喻,它的波形和声波很类似。”中科院紫金山天文台宇宙高能粒子加速和辐射研究团组首席科学家刘四明接受科技日报记者采访时说。

  在这次探测中,科学家们确定,引力波是由两个巨大黑洞的合并触发的。信号的峰值、“唧唧”声中最响亮的部分,就是两个黑洞碰撞、合并成一个新黑洞的时刻。

  在随后的四年间,科学家们经常探测到引力波事件,但却一直未能从中解码黑洞的属性。

  刘四明打了个比方,“两个黑洞合并后生成的新黑洞产生的引力波,就像敲钟后的尾音,钟刚刚敲响时的声音最大,然后逐渐衰减。而尾音的频率与钟的大小有关,通过对声音的分析,就可以反推钟的质量、材质等。

  层层涟漪具有不同震荡频率

  虽然新生黑洞很可能产生了它自己的引力波,但科学家们认为,在两个黑洞最初碰撞的喧闹声中,它的信号“声音”太微弱,无法解读。

  然而,研究团队找到了一种新的方法,可以在信号到达峰值后的瞬间提取出黑洞的“声音”。研究小组通过数据模拟,发现当信号到达峰值后,还存在着一种“弦外之音”——一组响亮而短暂的“声音”。当他们将这种“弦外之音”纳入考量,重新分析信号数据后,发现他们可以成功地分离出来一种新的“声音”模式,一种新生黑洞发出的“声音”。

  研究人员将这种新技术应用于对GW150914的实际观测数据,分析表明,信号峰值后的几毫秒里,至少存在一种频率更低、衰减更快的“弦外之音”,并确定了两种不同的“声音”模式,每一种“音调”和衰减数据都来源于新生黑洞。

  通过数值模拟,科学家们计算出了引力波的演化过程,进而确定了黑洞的质量和自旋。科学家们还利用信号峰值之后的“声音”特征,确定了新生黑洞的质量和自旋。

  “我们检测到由多个频率组成的整体引力波信号,这些信号以不同的速率逐渐消失,就像构成声音的不同音高一样。”该论文的第一作者、美国麻省理工学院的研究人员伊西表示,“每个频率或音调都对应于新黑洞的振动频率。”

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