愛因斯坦又對(duì)了！在19億光年外的黑洞合并中，發(fā)現(xiàn)高次諧波引力波

【手機(jī)軟件：博科園】引力波研究界的期望已經(jīng)實(shí)現(xiàn)：引力波的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為這些科學(xué)家們?nèi)粘９ぷ鞯囊徊糠?，因?yàn)樵谶^去的觀測(cè)中，發(fā)現(xiàn)了大約每周一次的O3新引力波候選者。但現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不同于以往任何一個(gè)信號(hào)的顯著信號(hào)：GW190412是O3首次觀測(cè)到的雙星黑洞合并，其中兩個(gè)黑洞的質(zhì)量截然不同，大約是太陽(yáng)的8倍和30倍。

這不僅使系統(tǒng)的天體物理性質(zhì)有了更精確測(cè)量，而且也使LIGO/室女座的科學(xué)家們：能夠驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論到目前為止還沒有經(jīng)過測(cè)試的預(yù)測(cè)。馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所；AEI）獨(dú)立馬克斯·普朗克研究小組“雙星合并觀測(cè)與數(shù)值相對(duì)論”的負(fù)責(zé)人Frank Ohme說：這是我們第一次在GW190412中‘聽到’明確無(wú)誤的高次諧波引力波嗡嗡聲，類似于樂器的泛音。

證實(shí)廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)

在像GW190412這樣質(zhì)量不等的雙星黑洞系統(tǒng)中，這是第一次觀察到這種類型：引力波信號(hào)中的這些泛音，比通常觀測(cè)到的要大得多。這就是為什么以前聽不到它們的原因，但在GW190412中，終于可以聽到了。這次觀測(cè)再次證實(shí)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論，廣義相對(duì)論預(yù)言了這些高次諧波的存在，也就是說，引力波的頻率是目前觀測(cè)到基頻的兩到三倍。

波茨坦阿爾伯特·愛因斯坦研究所“天體物理和宇宙相對(duì)論”系的博士生羅伯托·科特斯塔(Roberto Cotesta)說：位于GW190412中心黑洞的質(zhì)量分別是太陽(yáng)的8倍和30倍，這是觀察到第一個(gè)兩個(gè)黑洞質(zhì)量相差如此之大的雙星黑洞系統(tǒng)！這種巨大的質(zhì)量差異，意味著可以更精確地測(cè)量該系統(tǒng)的幾個(gè)屬性：它到地球的距離、我們看它的角度，以及重黑洞繞其軸旋轉(zhuǎn)的速度有多快。

前所未有的信號(hào)

2019年4月12日，LIGO探測(cè)器和室女座探測(cè)器都觀測(cè)到了GW190412，也就是探測(cè)器第三次觀測(cè)運(yùn)行O3的早期。分析顯示，合并發(fā)生在距離地球19億至29億光年的地方。這個(gè)新的不等質(zhì)量系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)特發(fā)現(xiàn)，因?yàn)長(zhǎng)IGO和室女座探測(cè)器之前觀測(cè)到的所有雙星黑洞，都由兩個(gè)大致相等的質(zhì)量組成。不相等的質(zhì)量在引力波信號(hào)上留下了印記，這反過來(lái)又使科學(xué)家能夠更精確地測(cè)量該系統(tǒng)的某些天體物理性質(zhì)。

高次諧波的存在，使得打破到系統(tǒng)的距離和觀察其軌道平面角度之間的模糊性成為可能；因此，這些性質(zhì)可以比沒有高次諧波的等質(zhì)量系統(tǒng)以更高的精度被測(cè)量。波茨坦阿爾伯特·愛因斯坦研究所“天體物理和宇宙相對(duì)論”部門主任、馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園教授亞歷山德拉·布南諾(Alessandra Buonanno)說：在O1和O2期間，研究人員觀察到了由恒星質(zhì)量黑洞組成雙星群體的冰山一角。

由于靈敏度的提高，GW190412已經(jīng)開始揭示了更加多樣化的系統(tǒng)，其特征是質(zhì)量不對(duì)稱高達(dá)4倍，黑洞的自轉(zhuǎn)速度約為廣義相對(duì)論允許最大值的40%。阿爾伯特·愛因斯坦研究所的研究人員對(duì)檢測(cè)和分析GW190412做出了貢獻(xiàn)，并提供了來(lái)自合并黑洞引力波的精確模型，其中首次包括了黑洞自旋的進(jìn)動(dòng)和超出主導(dǎo)四極桿的多極矩。那些印在引力波波形上的特征，對(duì)于提取有關(guān)信號(hào)源特性的獨(dú)特信息和進(jìn)行廣義相對(duì)論測(cè)試至關(guān)重要。

檢驗(yàn)愛因斯坦的理論

LIGO/室女座的科學(xué)家，還使用GW190412來(lái)尋找信號(hào)與愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的偏差。盡管該信號(hào)具有與迄今發(fā)現(xiàn)的所有其他信號(hào)不同的性質(zhì)，但研究人員無(wú)法發(fā)現(xiàn)與廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)有顯著差異。

改進(jìn)國(guó)際探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)

這是國(guó)際引力波探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)第三次觀測(cè)（O3）中的第二次發(fā)現(xiàn)，三個(gè)大型探測(cè)器的科學(xué)家已經(jīng)對(duì)儀器進(jìn)行了幾次技術(shù)升級(jí)。阿爾伯特·愛因斯坦研究所所長(zhǎng)、漢諾威萊布尼茨大學(xué)引力物理研究所所長(zhǎng)卡爾斯滕·丹茲曼(Karsten Danzmann)說：在O3期間，壓縮光被用來(lái)提高LIGO和室女座的靈敏度。這種仔細(xì)調(diào)節(jié)激光量子力學(xué)特性的技術(shù)，是德國(guó)-英國(guó)探測(cè)器GEO600率先采用的。

AEI正在領(lǐng)導(dǎo)世界范圍內(nèi)最大限度地提高擠壓程度的努力，這已經(jīng)將GEO600探測(cè)器的靈敏度提高了兩倍。而且在這項(xiàng)技術(shù)方面的進(jìn)步，將使所有未來(lái)的引力波探測(cè)器受益。探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)對(duì)O3中可能發(fā)生的56個(gè)引力波事件(候選事件)發(fā)出警報(bào)。在這56個(gè)信號(hào)中，另一個(gè)確認(rèn)信號(hào)GW190425已經(jīng)發(fā)布。LIGO和室女座的科學(xué)家，正在檢查所有剩余的54個(gè)候選者，并將公布所有詳細(xì)后續(xù)分析確認(rèn)其天體物理起源的候選者。

對(duì)GW190412的觀測(cè)意味著，類似的雙星黑洞系統(tǒng)，可能并不像一些模型預(yù)測(cè)的那樣罕見。因此，隨著未來(lái)更多引力波觀測(cè)和不斷增長(zhǎng)的事件目錄，預(yù)計(jì)會(huì)有更多這樣的信號(hào)。其中每一個(gè)都可以幫助天文學(xué)家更好地理解黑洞及其雙星系統(tǒng)是如何形成的，并為時(shí)空的基本物理提供新線索。

博科園｜研究/來(lái)自：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

參考期刊《arXiv》

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