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重大发现!天文学家第一次发现黑洞吃掉中子星,爱因斯坦又对了

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根据《天体物理学杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)刊载的一项新研究,天文学家有了重磅发现,第一次探测到了黑洞中子星的碰撞所释放出的引力波,最远来自于10亿光年之外,再一次证明了爱因斯坦百年前的预言。

那麽,引力波是什麽?爱因斯坦又是如何预言的?这次的最新发现又有什麽特别之处?

重大发现!天文学家第一次发现黑洞吃掉中子星,爱因斯坦又对了

牛顿的万有引力定律告诉我们,只要物体有质量,它们之间就会产生引力作用。但牛顿没有解释引力是如何产生的,引力的作用速度有多快。虽然万有引力定律可以预言海王星的存在,但却无法说明水星轨道的近日点进动问题,这意味著该理论一定不是完美的。

在牛顿之后,爱因斯坦在1915年创立了广义相对论,从完全不同的角度来解释引力。爱因斯坦认为,有质量的物体会把原来平坦的空间压弯,在弯曲空间中,物体之间有相互靠近的趋势,从而表现出引力效应。

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万有引力定律能解释的引力现象,广义相对论也都能解释,而万有引力定律无能为力时,广义相对论仍然有效。不仅如此,广义相对论还预言了未知的现象,例如,引力的传播速度是光速、有质量的物体加速运动时会产生引力波、宇宙中存在吞噬光的黑洞。

在广义相对论诞生100年后,天文学家终于首次直接发现了引力波,由两个黑洞碰撞所产生。该发现也证明,引力波的传播速度也是光速。到了2018年,天文学家首次直接捕捉到了黑洞照片,这进一步证实了广义相对论。

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引力波之所以在广义相对论诞生一个世纪后才直接发现,是因为这种效应极其微弱,以致于爱因斯坦都觉得无法探测到。只有黑洞碰撞这样的宇宙灾难,才能爆发出足够强大的引力波。

探测引力波的装置是一种镭射干涉仪,有著两条互相垂直的等长干涉臂。当引力波经过探测器时,引起了时空的波动,导致一条干涉臂被拉长,另一条干涉臂被压缩,当一束被分离的镭射穿过两条干涉臂时,由于光程发生变化,将会探测到引力波的存在。

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在著名物理学家基普·索恩的主导下,人类建造了史上最强大的引力波探测器——镭射干涉引力波天文台(LIGO)。为了让干涉仪具有极高的灵敏度,干涉臂的长度达到了4公里,并且通过光子的来回反射,可以让干涉臂的有效长度延伸到1600公里。LIGO能够探测到10^-18米的长度变化,这只有质子直径的千分之一。

凭藉著强大的LIGO以及原理类似的室女座干涉仪(Virgo),天文学家先后探测了远在数亿、数十亿光年外的黑洞合併产生的引力波。此后,这些引力波探测器又发现了两个中子星合併所释放出的引力波。

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然而,还有一种更为罕见的碰撞没有探测到,那就是黑洞和中子星的碰撞。直到最近,天文学家才首次确认发现了黑洞和中子星的直接碰撞,LIGO和Virgo在去年一月曾先后两次发现这样的引力波信号。

第一次是GW200105,来自于一个质量为太阳8.9倍的黑洞和一个质量为太阳1.9倍的中子星碰撞。该信号源位于9亿光年之外,这意味著此次碰撞事件发生在9亿年前,引力波经过9亿年的时间才到达地球。

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幸运的是,仅仅过了10天之后,天文学家又探测到另一起强烈的引力波信号GW200115,来自于一个质量为太阳5.7倍的黑洞和一个质量为太阳1.5倍的中子星碰撞。该信号源位于更远的宇宙,距离地球达到了10亿光年,这意味著该碰撞事件要比上一起更早发生1亿年的时间。

在探测到这两起引力波事件之后,天文学家马上通过各种波段的天文望远镜来观测这两片天区,结果并没有发现任何的电磁波信号。这与双中子星的合併不同,两颗中子星碰撞时,将会合成出大量的金、铂等元素,也会释放出强烈的电磁波。

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天文学家认为,这两个黑洞并不是把它们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个中子星。因此,这个过程并不会发出电磁波,只会产生震撼宇宙的引力波。

在这两次引力波事件中,无论是黑洞,还是中子星,它们的前身都是质量在太阳8倍以上的大质量恒星。这些恒星快速耗尽燃料后,将会爆发成闪耀宇宙的超新星,核心部分将会被自身重力强烈压缩成黑洞和中子星。

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经过漫长时间的互相绕行,两个緻密天体的轨道不断衰减,直至发生碰撞。引力波最终击中数以亿计光年外的地球,让我们目睹了不可思议的宇宙大碰撞。

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

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24 条回复 A文章作者 M管理员
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