合并黑洞或可在2017年被探测到

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


在他1994年出版的不可或缺的著作《黑洞与时间弯曲》中,物理学家基普·索恩写到了即将在下个世纪出现的诱人发现。特别是,引力波的存在——时空结构本身因极其巨大的物体的运动,尤其是碰撞而产生的涟漪——可能很快就会从理论预测转变为已知事实。而这些波可能携带关于其起源的重要线索。“引力波探测器将很快为我们带来黑洞的观测图,以及黑洞碰撞的交响曲般的声音——这些交响曲充满了关于扭曲时空在剧烈振动时如何表现的丰富新信息,”索恩写道。

他现在认为,那个时刻即将到来。这位加州理工学院的理论家在8月3日出版的《科学》杂志上撰文指出,在五年时间内,正在进行的对世界领先的引力波探测器的升级将使这些仪器灵敏到足以探测来自碰撞和合并黑洞的引力波,这将为阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论提供又一个重要的实验证实。这项探测还将为研究黑洞开辟一个新领域,这些宇宙饕餮的引力如此强大,以至于形成了一个通往黑洞巨口的单向漏斗。即使是光,一旦越过事件视界,这个黑洞的单向通道,也无法逃脱。

到目前为止,天体物理学家只能通过监测假定物体周围的环境来推断黑洞的存在。例如,在银河系中心的射手座 A* 的例子中,天文学家可以看到从黑洞位置发出的辐射闪光,这是由落入的物质加热并在事件视界之外辐射造成的。银河系中心的恒星也暴露了射手座 A* 的存在——它们的轨道指向附近存在一个质量为四百万个太阳的致密天体。


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相比之下,预计来自合并黑洞的强引力波信号将携带关于所涉及物体以及它们灾难性相互作用的丰富信息——黑洞和其他极度弯曲的时空区域的几何动力学或“风暴行为”,正如索恩所说。《科学》杂志中他写道:“来自合并黑洞双星的引力波形携带关于初始黑洞(它们的质量、自旋和轨道)、最终合并的黑洞(它的质量和自旋)以及合并的几何动力学的详细信息。”

两个主要的引力波探测器项目一直在寻找这些时空涟漪,但到目前为止,搜索尚未产生任何结果。LIGO 和 Virgo 观测站都是 L 形仪器,具有极长的臂——位于华盛顿州和路易斯安那州的两座 LIGO 设施为四公里,意大利的 Virgo 为三公里。它们依赖于长基线干涉测量法,向下垂直臂发射激光,以查看一个方向是否相对于另一个方向因经过的引力波而被拉伸或压缩。

索恩写道,事实上,两者都没有探测到引力波,这并不令人担忧,他在 20 世纪 80 年代帮助率先开发了 LIGO。“最初的 LIGO 和 Virgo 干涉仪(其灵敏度可以合理但不太可能看到波)旨在为实验团队提供足够的经验来完善先进干涉仪的技术和设计——这将具有很高的灵敏度,他们很可能看到大量的波,”他写道。“先进的 LIGO 和先进的 Virgo 干涉仪现在正在安装中,到 2017 年应该达到黑洞合并被观测到的灵敏度。” 听起来探测引力波的竞赛已经开始,这是物理学中最大的奖项之一。

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