范德比爾特大學(xué)的一項(xiàng)新研究表明，想找到巨大的黑洞，就需要測量它們的引力波對脈沖星發(fā)出的光束的影響。而做這件事的絕佳地點(diǎn)便是太陽系。

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藝術(shù)家的脈沖星陣列概念被用于尋找質(zhì)量是太陽數(shù)十億倍的黑洞。最好的起點(diǎn)在哪？利用太陽系的引力中心是其中一個想法。圖源：David Champion/?范德比爾特大學(xué).

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黑洞是引力如此巨大以至于光無法逃脫的地方。黑洞周圍的時空是扭曲的。近幾十年來，天文學(xué)家們開始相信最大的黑洞——超大質(zhì)量的黑洞——位于大多數(shù)星系的中心。每一個都是太陽質(zhì)量的數(shù)百萬倍或數(shù)十億倍。但許多超大質(zhì)量黑洞仍未被發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家如何找到它們?引力波是一種時空的漣漪，早在阿爾伯特·愛因斯坦的時候就已經(jīng)形成了理論，但直到2015年才被觀測到。天文學(xué)家現(xiàn)在說，我們可以通過觀察超大質(zhì)量黑洞的引力波對脈沖星閃光的時間的影響來發(fā)現(xiàn)它們。這些科學(xué)家說，在進(jìn)行這項(xiàng)研究的同時，他們也提高了我們對太陽系引力中心--或重心--的認(rèn)識。

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這項(xiàng)新研究是范德堡大學(xué)的物理學(xué)助理教授史蒂芬·泰勒和北美納赫茲引力波觀測站(NANOGrav)合作完成的。泰勒在一份聲明中解釋道:

利用我們在銀河系中觀測到的脈沖星，我們試圖像一只蜘蛛一樣靜坐在蛛網(wǎng)的中央。我們對太陽系重心的了解程度是至關(guān)重要的，因?yàn)槲覀冊噲D感知哪怕是蛛網(wǎng)上最小的刺激。

范德堡大學(xué)于2020年6月30日公布了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞的新技術(shù)。

詳細(xì)介紹他們的發(fā)現(xiàn)的論文已經(jīng)過同行評議并發(fā)表在去年4月21日的《天體物理學(xué)雜志》上。

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引力波——時空中的漣漪——可以由一對圍繞彼此旋轉(zhuǎn)的黑洞產(chǎn)生。為了找到這些波紋，泰勒和他的同事們測量了脈沖星有規(guī)律的閃光，脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，會發(fā)出光束，就像一個宇宙燈塔。研究人員正在利用NANOGrav數(shù)據(jù)尋找這些閃光到達(dá)率的變化。就像時鐘精確地計(jì)時一樣，脈沖星以一種極其有規(guī)律的方式發(fā)出它們的閃光(這就是為什么最初被發(fā)現(xiàn)時，人們認(rèn)為它們可能是來自外星人的人工信號)。因此，脈沖星規(guī)律的閃光稍有偏差，就可能表明引力波的通過。

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根據(jù)這項(xiàng)新研究，太陽系引力中心——質(zhì)心——的準(zhǔn)確位置并不是在太陽的中心，而是在太陽表面上方約330英尺(100米)的地方。圖片來自Tonia Klein/ 北美納赫茲引力波天文臺物理前沿中心/ 范德堡大學(xué)大學(xué)。

在報道中，泰勒說，找到太陽系質(zhì)心的確切位置，有助于尋找超大質(zhì)量黑洞的引力波。那么，太陽系的質(zhì)心到底在哪呢？也許可以類比我們所熟悉的地月系——在地月系中，月球并不圍繞地球中心運(yùn)行。

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相反，在地月系中，地球和月球圍繞著它們共同的質(zhì)心運(yùn)行。地月系的質(zhì)心在地球內(nèi)部，而并非位于地球中心。地月系的質(zhì)心距離地球中心大約4671公里（=2902英里），即位于地球中心到其表面約75%的位置。

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同樣，太陽系的質(zhì)心也不在太陽的中心。事實(shí)上，最新研究表明，太陽系的質(zhì)心接近太陽表面，在太陽表面上方約100米（=330英尺）的位置。科學(xué)家們稱這個點(diǎn)為“太陽系絕對靜止的位置”。

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所以，找到太陽系質(zhì)心的確切位置，有助于科學(xué)家測量由引力波通過而引起的脈沖星閃光中及其細(xì)微但可測量的變化。利用來自Doppler tracking的數(shù)據(jù)，質(zhì)心位置之前已經(jīng)被預(yù)估出來了。估算結(jié)果可以提供物體繞太陽運(yùn)行時的位置和軌跡。但這可能導(dǎo)致錯誤和不一致的結(jié)果，顯示引力波并不存在。合作作者喬·西蒙（Joe Simon）說到：

“問題是，質(zhì)量和軌道上的誤差會轉(zhuǎn)化為脈沖計(jì)時的偽影，很可能看起來像引力波?！?/span>

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由兩個相互環(huán)繞的黑洞產(chǎn)生的引力波的圖像描述。圖源LIGO/ T. Pyle/ Science

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一個特殊黑洞系統(tǒng)的藝術(shù)概念圖。其中2個小黑洞在環(huán)繞第3個超大質(zhì)量的黑洞的圓盤中合并。為找到質(zhì)量最大的黑洞，研究人員正在測量受到引力波影響的脈沖星閃光時間。

首席作者Michele Vallisneri補(bǔ)充道：

在對太陽系模型進(jìn)行引力波搜索時并沒有發(fā)現(xiàn)什么重要的東西，但是我們在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)了巨大的系統(tǒng)性差異。通常來說，更多的數(shù)據(jù)會帶來更精確的結(jié)果，但是我們的計(jì)算中總會存在偏差。

那么研究人員該怎樣解釋之前的誤差和不一致性，并提高引力波探測的準(zhǔn)確性呢？他們決定換一種不同的方法，同時尋找引力波和太陽系的確切的引力中心。這個方法成功了。他們甚至能夠?qū)⑻栂狄χ行木_地定位到100米范圍以內(nèi)！太陽系精確地引力中心并不像人們推測的那樣在太陽的中心。該報道稱，它實(shí)際上距太陽表面約330英尺。這種差異是由于太陽系最大行星—木星的巨大質(zhì)量的影響。Taylor說：

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我們對分散在整個星系中脈沖星的精確觀測，讓我們能夠比以往更加精確地定位我們自己在宇宙中的位置。通過尋找引力波的方法，以及其他的實(shí)驗(yàn)，我們對宇宙中所有不同類型的黑洞有了更全面的了解。

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范德堡大學(xué)的Stephen Taylor，該項(xiàng)新研究的合著者。圖源：范德堡大學(xué)。

就在幾年前，有報道稱，天文學(xué)家第一次觀測到了黑洞合并發(fā)出的可見光。在這個系統(tǒng)中，兩個較小的黑洞在一個物質(zhì)盤中進(jìn)行合并，該物質(zhì)盤圍繞著一個128億光年之外的特大質(zhì)量黑洞。這樣的合并之前已經(jīng)被它們產(chǎn)生的引力波所探測到，但這是第一次觀測到類似耀斑的可見光現(xiàn)象。光來自圍繞著較大黑洞的氣態(tài)物質(zhì)盤，而不是來自黑洞本身。

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北美納赫茲引力波天文臺會繼續(xù)收集更多脈沖星的時序數(shù)據(jù)，天文學(xué)家相信這會引領(lǐng)我們發(fā)現(xiàn)更多特大質(zhì)量黑洞。

總結(jié)：新研究表明尋找最大質(zhì)量黑洞的最好方法是測量太陽系精確引力中心的引力波。

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作者：Paul Scott Anderson

FY：Astronomical volunteer team

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翻譯：天文志愿文章組-協(xié)作翻譯小分隊(duì)

聯(lián)合署名：Pudding，l，Space.，超凡泰迪熊

審核：天文志愿文章組-

排版：零度星系

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來自：https://www.space.com/moon-85-million-years-younger-than-thought.html

本文由天文志愿文章組-Pudding，l，Space.，超凡泰迪熊翻譯自Paul Scott Anderson的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系運(yùn)營者刪除。

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