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根据LIGO的数据,我们如何知道这次黑洞碰撞来自13亿光年之外?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-09-10 09:07:36

2015年9月14日,在汉福德和利文斯顿的LIGO探测器都观测到了GW150914信号。它首先被所谓的低延迟搜索方法识别出来,这种方法被开发出来,通过搜索类似引力波的模式,而不建模波形的确切细节,以尽可能快地分析探测器数据。这些及时的搜索在信号到达探测器三分钟后就报告了候选事件。然后,LIGO干涉仪记录的引力波“应变”数据与一个理论预测波形的综合数据库(一种被称为匹配滤波器的方法)进行比较,以找到与测量数据最匹配的理论波形。

根据LIGO的数据,我们如何知道这次黑洞碰撞来自13亿光年之外?

图中显示了此深入分析的一些关键结果。明确指出GW150914是由两个合并的黑洞发射的。图的中间部分显示了由汉福德探测器测量的引力波“应变”的重建。值得注意的是,测量到的图案(灰色)和与此数据相匹配的波形(红色)之间令人印象深刻的一致性,正如从广义相对论中可以看到的那样。

黑洞的视野在这个计算的某些阶段显示在上图中:inspiral阶段,在这两个黑洞接近对方螺旋;黑洞结合时的合并;在随后的衰变中,新形成的单个黑洞会短暂地振动,然后静止。

将应变数据与理论预测进行比较,可以让我们检验广义相对论是否能完全描述该事件。爱因斯坦的理论通过了这个检验。所有的观察结果都与他们的预测一致。我们还可以利用这些数据来确定GW150914的来源的具体属性:其中包括两个黑洞合并前的质量、剩下的黑洞的质量以及我们到来源的距离。

结果显示,GW150914来自两个质量分别是太阳36倍和29倍的黑洞的融合,最终融合后的黑洞质量是太阳的62倍。人们也可以推断出,剩下的黑洞有“自旋”,即绕着自己的轴旋转。1963年,数学家罗伊·克尔首次在理论上预测了自旋黑洞的存在。最后,结果表明,GW150914的源在10多亿光年之外。因此,LIGO探测器已经观测到一个真正非凡的事件-它发生在很久以前,在一个遥远的星系!

如果我们比较黑洞在核聚变前后的质量,我们可以看到这一事件将3倍太阳质量(或近6万亿万亿千克)转化为引力波能量,其中大部分在短短几秒内释放出来。相比之下,太阳每秒仅将其质量的万亿分之一的二十亿分之一转化为电磁辐射。事实上,GW150914在引力波中的能量,在一个短暂的瞬间,比可观测宇宙中所有恒星和星系的总光度还要大十倍以上。

合并前确定的GW150914的两个组成部分的质量提供了一个强有力的论据,证明它们都是黑洞——尤其是当我们考虑到这两个组成部分之间的巨大速度和微小的距离,如上图的下方所示。速度达到了光速的显著比例,距离只对应一个小倍数的特征大小的黑洞,也被称为史瓦西半径。

这些图表表明,在引力波频率约为150hz的时候,这两个物体在发生核聚变前不久仅分离了几百公里。黑洞是唯一已知的紧密到可以彼此靠近而不合并的物体。根据测量结果确定的双星系统的总质量,即使是一对中子星也不够大,一对中子星和一个黑洞已经以低于150hz的频率融合了。
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