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黑洞合並適用1+1>2，對宇宙利大於弊？
「我從來沒有奢望過在我的生命裏會見證一個有關於這樣的測量結果。」
模擬顯示了兩個黑洞的合並。(圖片來源:SXS(模擬極端時空)計畫)
科學家們發現了黑洞合並事件產生的重力波，這表明合並後的黑洞形成了一個穩定的球形。這些波頻還揭示了組合黑洞可能比之前要大得多。﹒
當2019年5月21日首次探測到GW190521的重力波事件時，這自兩個黑洞的合並，一個黑洞的品質相當於85個太陽，另一個黑洞的品質相當於66個太陽。科學家們認為，這次合並將因此產生一個大約142倍太陽品質的子黑洞。
然而，合並產生的黑洞的時空振動，隨著空間分解成的球形，向外產生波狀漣漪，比最初預測的還要大。品質是太陽的250倍，而不是142倍。
這些最終幫助了科學家更好地檢驗廣義相對論。廣義相對論是艾伯特·愛因史坦1915年提出的重力理論，它首次引入了重力波和黑洞的概念。「我們真的在探索一個新的前沿，」加州大學的理論物理學家史蒂文·吉丁斯(Steven Giddings)在一份聲明中說。
重力波和廣義相對論
廣義相對論推論，一定品質的物體會扭曲空間和時間的結構——統一成一個單一的四維實體，稱為「時空」——我們所感知到的「重力」來自實體下的曲率本身。
就像把保齡球放在拉伸的橡底片上比網球產生更明顯的「凹痕」一樣，黑洞比恒星在時空中產生更多的曲率，而恒星比行星多。在廣義相對論中，黑洞是一個物質密度如此之大的點，它導致時空的曲率大到在一個被稱為事件視界的邊界上，連光都沒有足夠的速度逃離向內的凹痕。
這並不是廣義相對論唯一的突破性預測。愛因史坦還預言，當物體加速時，它們使時空的結構產生稱為重力波的漣漪。物體品質越大，這種現象就越凸顯直至極致。當黑洞這樣的致密天體相互旋轉時，它們的圓周運動不斷加速，時空就像被敲響的鐘一樣圍繞著它們，伴隨著重力波嗡嗡作響。
時空中的波狀漣漪消彌掉螺旋黑洞的角動量，反過來又導致黑洞的共同軌域收縮，使它們更緊密，增強了發射重力波的頻率。黑洞在螺旋形地靠近，最終合並，形成了一個子黑洞，並向宇宙中發出高頻的「啁啾」重力波。
關於重力波，愛因史坦這位偉大的物理學家認為，時空中的這些漣漪非常微弱，哪怕在穿越宇宙數百萬甚至數十億光年之後，永遠不會在地球上被探測到。
然而，2015年9月，位於華盛頓和路易士安那州的雷射幹涉儀重力波天文台(LIGO)的雙探測器表明，愛因史坦是不正確的。他們探測到了GW150914，這種重力波，正與13億光年外的黑洞合並有關。重力波訊號的探測得益於雷射幹涉重力波天文台 2.5英裏(4公裏)長的雷射臂之一的長度變化而來，它相當於質子寬度的千分之一。
從那以後，LIGO和其他重力波探測器——義大利的處女座和日本的神岡重力波探測器——探測到了同類事件，達到了每周探測到一個重力波事件的水平。即使在如此豐富的重力波探測中，GW190521也脫穎而出。
一次深入的重力波事件
模擬黑洞合並事件，產生了一個品質是太陽250倍的黑洞。(圖片來源: 雷射幹涉重力波天文台/處女座)
GW190521訊號背後的兩個黑洞位於距離地球88億光年的地方，它們的合並頻率非常低，只有在黑洞的最後兩個軌域上，頻率才變得足夠高，足以達到LIGO和處女座的靈敏度極限。
這項新研究背後的團隊——不是LIGO/處女座合作計畫的一部份——極力探索黑洞在猛烈碰撞和合並過程中可能透過發出的訊號中發現什麽資訊。
他們發現，在兩個黑洞相撞的瞬間，黑洞的形狀是不平衡的，在呈球形時相對穩定，意味著在合並的僅僅幾毫秒內，子黑洞必須呈現出球體的形狀。
正如鐘的形狀決定了鐘響的頻率一樣，研究小組表示，隨著這個新黑洞形狀的改變並趨於穩定，重力波的頻率也發生變化。這些 「環降」重力波包含了子黑洞的品質和旋轉速度的資訊。
——碰撞的黑洞帶著重力波漣漪穿越時空
——碰撞的黑洞可能隱藏在超亮類星體的光線中
——在早期宇宙的「宇宙正午」發現了兩個合並的超大品質黑洞
這意味著，與使用螺旋過程中產生的重力波的傳統方法相比，這種合並產生的重力波為科學家們提供了一種測量合並黑洞特性的替代方法。
研究小組在GW190521重力波訊號中發現了兩個不同的環降頻率，如果合並考慮，就會得出這個黑洞的品質是250個太陽品質，品質比利用螺旋重力波要大得多。重力波的探測讓該團隊感到震驚。
「我從來沒有奢望過在我的生命裏會見證一個有關於這樣的測量結果。」
該研究的合著者、拉德堡大學(Radboud University)的物理學家巴德裏·凱瑞希南(Badri Krishnan)說。
該團隊的研究詳細發表在11月28日發表在【物理評論快報】上的一篇論文中。
BY:Robert Lea
FY: Jane
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