新生黑洞的鐘鳴

沉靜死寂的宇宙,如同冬天的湖面般平穩。直到兩巨大的黑洞彼此靠近,最終撞在一起…這時新的黑洞誕生了,並在宇宙中激起一波波的漣漪重力波。重力波就像是撞鐘所發出聲響般,在宇宙傳播。以上的故事發生於愛因斯坦廣義相對論的架構下,並且得以預測重力波的強度及衰變,以呈現新生黑洞的質量及自旋。

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102

編譯/陳暉航、黃柏誠

新生黑洞的初啼

MIT(Massachusetts Institute of Technology)的物理學家們第一次偵測到新生黑洞的鐘鳴 (ringning)―新生黑洞初始的重力波,並且分析出新生黑洞鐘鳴的圖形。依據新生黑洞鐘鳴的圖形,再利用愛因斯坦的方程式,可得出新生黑洞的質量與自旋。計算值與先前對此黑洞質量與自旋的測量值相當一致。

這項發現不只說明了,黑洞的鐘鳴能表現出它的質量與自旋,也支持了黑洞一個相當有趣的特徵―黑洞是無毛(no hair)的!根據愛因斯坦的理論,黑洞只有三個可觀測的性質:質量、自旋及電荷。因此黑洞所擁有的訊息非常少,像一個光禿禿的物體一般,上面連根毛髮也沒有,因此稱作無毛(no hair)。

也就是說,根據黑洞無毛定理分析所測量到的鐘鳴,可以得到黑洞的質量與自旋。如果鐘鳴預測的質量與自旋和實際測量有分歧的話,那便表示黑洞應該擁有除了質量,自旋與電荷之外的額外的性質。

因此,在這項研究的假設裡,黑洞在剛出生就是個禿頭寶寶(無毛黑洞)!這項計畫的主要研究人員Maximiliano Isi說道:「我們一直相信廣義相對論是對的,而這是第一次以這種方法實際去證明它。這也是第一次以實驗手段來直接測試無毛理論。當然我們不能根據這個結果就說黑洞就是無毛的,不過禿頭黑洞這個形象,將會繼續存在我們的印象中。」

啁啾聲中的密碼

2015年的9月,科學家第一次探測到重力波。這種非常微弱的波紋來自於遠方劇烈的宇宙現象。這個名為GW150914的重力波事件,是由美國雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)所所偵測到的。

在除去雜訊後,LIGO的研究人員發現重力波在衰變之前,有一快速上升的頻率。這段訊號被研究員形容為鳥的「啁啾(chirping)」。科學家認為兩個互相旋繞的巨大黑洞能造成重力波,並且訊號尖峰,也就是啁啾中最大聲的部分,對應到兩黑洞撞擊的那一瞬間。當新生黑洞開始傳遞自身的重力波時,科學認為那時的重力波已經太微弱而無法藉此分析出兩個黑洞初始撞擊時的情形。

圖中模擬兩黑洞在黑洞碰撞的各個階段中,在不同位置、速度所造成的重力波

然而Isi和他的夥伴發展出一種方法,能將抽取出尖峰後的訊號。這項工作由Isi的同伴Matthew Giesler帶領的團隊所完成,在他們的模擬中,尖峰後的訊號有泛音的特性,特別是在離尖峰非常近處。於是透過這個概念,他們重新分析訊號時,能成功分離出新生黑洞鐘鳴的圖形。

團隊利用這項技術重新分析GW150914的所測得的精確數據,專注於尖峰後幾毫秒內的訊號,如此成功辨別出此新生黑洞的鐘鳴。特別的是,研究員更在此鐘鳴中辨認出兩種不同的音調,分別對應不同的強度及衰變速率。Isi說道:「我們偵測到一個完整的重力波,包含了多種的頻率,對應不同的衰變速率。每一種頻率體現的是新生黑洞各別的震盪頻率。」

比愛因斯坦靈敏的耳

愛因斯坦的廣義相對論認為,黑洞重力波的強度和衰變速率應該是其質量和自旋的直接產物。也就是說,給定質量和自旋的黑洞,只能產生特定強度和衰變速率的音調。作為對愛因斯坦理論的檢驗,該團隊使用廣義相對論,並帶入他們檢測到的兩個音調的強度和衰變速率,來計算新生黑洞的質量和自旋。

他們的計算結果與黑洞質量和旋轉的測量結果相吻合。Isi說,這些結果表明,研究人員實際上可以利用重力波信號中最響亮,最容易檢測到的部分來辨別新的黑洞的鐘鳴。以前,科學家們認為,這種鐘鳴只能在重力波信號較弱的端部才能檢測到,並且需要使用比今日更為靈敏的儀器。

Isi說:「這對學界來說是令人興奮的,因為它代表著現在就可以進行這類研究,而不是在將來20年之內。」

隨著LIGO逐漸改善其分辨率,以及將來更多靈敏儀器的投入使用,研究人員將能夠使用該小組的方法「聽到」其他新生黑洞的聲音。而且,如果它們碰巧與愛因斯坦的預測不太吻合,那將會更加令人興奮,因為這表示可能偵測到黑洞的新特徵。

Isi說:「將來,我們將在地球和太空中擁有更好的探測器,不再只能看到兩種音調的模式,而是十種、數十種,並且更加精確地確立其性質。」「如果這些不是愛因斯坦預測的黑洞,而是蟲洞或玻色子星等更奇特的物體,它們的訊號可能不會以相同的方式出現,而我們將有機會看到它們。」

 

編譯來源:2019/09/11: Scientists detect the ringing of a newborn black hole for the first time

參考資料:Maximiliano Isi, Katerina Chatziioannou, Will M. Farr. A hierarchical test of general relativity with gravitational wavesPhysical Review Letters, 2019

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