重大發現!天文學家第一次發現黑洞吃掉中子星,愛因斯…


重大發現!天文學家第一次發現黑洞吃掉中子星,愛因斯坦又對了?的頭圖

重大發現!天文學家第一次發現黑洞吃掉中子星,愛因斯坦又對了?

根據《天體物理學雜誌快報》(The Astrophysical Journal Letters)刊載的一項新研究[1],天文學家有了重磅發現,第一次探測到了黑洞和中子星的碰撞所釋放出的引力波,最遠來自於10億光年之外,再一次證明了愛因斯坦百年前的預言。

那麼,引力波是什麼?愛因斯坦又是如何預言的?這次的最新發現又有什麼特別之處?

牛頓的萬有引力定律告訴我們,只要物體有質量,它們之間就會產生引力作用。但牛頓沒有解釋引力是如何產生的,引力的作用速度有多快。雖然萬有引力定律可以預言海王星的存在,但卻無法說明水星軌道的近日點進動問題,這意味著該理論一定不是完美的。

在牛頓之後,愛因斯坦在1915年創立了廣義相對論,從完全不同的角度來解釋引力。愛因斯坦認為,有質量的物體會把原來平坦的空間壓彎,在彎曲空間中,物體之間有相互靠近的趨勢,從而表現出引力效應。

萬有引力定律能解釋的引力現象,廣義相對論也都能解釋,而萬有引力定律無能為力時,廣義相對論仍然有效。不僅如此,廣義相對論還預言了未知的現象,例如,引力的傳播速度是光速、有質量的物體加速運動時會產生引力波、宇宙中存在吞噬光的黑洞。

在廣義相對論誕生100年後,天文學家終於首次直接發現了引力波,由兩個黑洞碰撞所產生。該發現也證明,引力波的傳播速度也是光速。到了2018年,天文學家首次直接捕捉到了黑洞照片,這進一步證實了廣義相對論。

引力波之所以在廣義相對論誕生一個世紀後才直接發現,是因為這種效應極其微弱,以致於愛因斯坦都覺得無法探測到。只有黑洞碰撞這樣的宇宙災難,才能爆發出足夠強大的引力波。

探測引力波的裝置是一種激光干涉儀,有著兩條互相垂直的等長干涉臂。當引力波經過探測器時,引起了時空的波動,導致一條干涉臂被拉長,另一條干涉臂被壓縮,當一束被分離的激光穿過兩條干涉臂時,由於光程發生變化,將會探測到引力波的存在。

在著名物理學家基普·索恩的主導下,人類建造了史上最強大的引力波探測器——激光干涉引力波天文台(LIGO)。為了讓干涉儀具有極高的靈敏度,干涉臂的長度達到了4公里,並且通過光子的來回反射,可以讓干涉臂的有效長度延伸到1600公里。 LIGO能夠探測到10^-18米的長度變化,這只有質子直徑的千分之一。

憑藉著強大的LIGO以及原理類似的室女座干涉儀(Virgo),天文學家先後探測了遠在數億、數十億光年外的黑洞合併產生的引力波。此後,這些引力波探測器又發現了兩個中子星合併所釋放出的引力波。

然而,還有一種更為罕見的碰撞沒有探測到,那就是黑洞和中子星的碰撞。直到最近,天文學家才首次確認發現了黑洞和中子星的直接碰撞,LIGO和Virgo在去年一月曾先後兩次發現這樣的引力波信號。

第一次是GW200105,來自於一個質量為太陽8.9倍的黑洞和一個質量為太陽1.9倍的中子星碰撞。該信號源位於9億光年之外,這意味著此次碰撞事件發生在9億年前,引力波經過9億年的時間才到達地球。

幸運的是,僅僅過了10天之後,天文學家又探測到另一起強烈的引力波信號GW200115,來自於一個質量為太陽5.7倍的黑洞和一個質量為太陽1.5倍的中子星碰撞。該信號源位於更遠的宇宙,距離地球達到了10億光年,這意味著該碰撞事件要比上一起更早發生1億年的時間。

在探測到這兩起引力波事件之後,天文學家馬上通過各種波段的天文望遠鏡來觀測這兩片天區,結果並沒有發現任何的電磁波信號。這與雙中子星的合併不同,兩顆中子星碰撞時,將會合成出大量的金、鉑等元素,也會釋放出強烈的電磁波。

天文學家認為,這兩個黑洞並不是把它們附近的中子星撕碎掉,也不是慢慢地碰撞,而是黑洞直接一口吃掉了整個中子星。因此,這個過程並不會發出電磁波,只會產生震撼宇宙的引力波。

在這兩次引力波事件中,無論是黑洞,還是中子星,它們的前身都是質量在太陽8倍以上的大質量恆星。這些恆星快速耗盡燃料後,將會爆發成閃耀宇宙的超新星,核心部分將會被自身重力強烈壓縮成黑洞和中子星。

經過漫長時間的互相繞行,兩個緻密天體的軌道不斷衰減,直至發生碰撞。引力波最終擊中數以億計光年外的地球,讓我們目睹了不可思議的宇宙大碰撞。

參考文獻

[1] R. Abbott、TD Abbott、S. Abraham 等。 觀測來自兩個中子星-黑洞合併的引力波,天體物理學雜誌快報,2021,915,L5。