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十倍于全宇宙光度的能量，傳播數(shù)億光年，黑洞碰撞的力量

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圖解：黑洞合并概念圖 圖源：scitechdaily

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2015年9月14日，漢福德和利文斯頓的激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, 以下簡稱LIGO）探測器都觀測到了信號GW150914。這是人類首次探測到的引力波信號。這個信號最初是被所謂的低延遲搜索方法發(fā)現(xiàn)的。這種方法通過搜索引力波的波形圖案，而不對波形細節(jié)建模以加速分析探測器數(shù)據(jù)。這些高效搜索方法在信號到達探測器僅3分鐘后就報告了可能的事件。隨后，再將LIGO干涉儀記錄的引力波數(shù)據(jù)和理論上的引力波預測波形進行比較。比較的方法被稱為匹配濾波器，用于尋找與測量數(shù)據(jù)最匹配的理論波形。

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上圖展示了這種深入分析的一些關鍵結果，能清楚地表明GW150914是由兩個黑洞合并時發(fā)出的。該圖的中間部分顯示了漢福德探測器測得的引力波應變。值得注意的是，測量到的波形（灰色）和由廣義相對論推演的黑洞合并波形（紅色）之間的一致性令人印象深刻。

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圖解：GW150914黑洞合并前后引力場變化模擬圖 圖源：LEGO/Georgia-Tech

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合并中的黑洞事件視界的各個階段如圖所示：旋進階段，兩個黑洞以螺旋狀相互接近；合并階段，兩個黑洞合并；隨后的衰變階段（震蕩漸停），新形成的單個黑洞短暫振蕩，然后歸于靜止。

通過引力應變數(shù)據(jù)與理論預測的比較，我們可以檢驗廣義相對論是否能完全描述這一事件。愛因斯坦的理論完美地通過了這一檢驗，所有觀測到的數(shù)據(jù)都與預測的一樣。我們還可以利用這些數(shù)據(jù)來確定GW150914的一些具體屬性：包括合并前兩個黑洞的質量、剩余黑洞的質量以及和我們的距離。

結果顯示，GW150914來自于兩個黑洞的融合，這兩個黑洞的質量分別是我們太陽的36倍和29倍，合并后的黑洞質量是太陽的62倍。我們還推斷出合并后的黑洞具有 "自旋"，即圍繞自己的軸心旋轉。1963年，數(shù)學家羅伊-科爾首次在理論上預言了自旋黑洞的存在。最后，我們還得知了 GW150914的源頭在13億光年以外。LIGO探測器觀測到的是一個發(fā)生在億萬年前天壤懸隔的其它星系的真正舉世矚目的大事件！

圖解：黑洞的自旋形態(tài)， ? ? ? ? ? ? ?X射線強度與能量的關系。圖源：NASA/JPL-Caltech

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通過比較黑洞在合并前后的質量，我們可以看到，這一驚人的碰撞將三個太陽的質量(近六億億億千克)轉化為引力波能量，其中大部分在零點幾秒內被釋放。相比之下，太陽每秒鐘只將其質量的二十萬億億分之一轉化為電磁輻射。事實上，GW150914在短暫瞬間釋放的引力波的威力，是可觀測宇宙中所有恒星和星系總光度的十倍以上。

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圖解：卡岡圖雅，來自電影作品《星際穿越》，質量達到了1億個太陽。

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GW150914合并前兩個天體的巨大質量提供了兩者都是黑洞的強有力的證據(jù)。特別是考慮到兩個天體之間巨大的相對速度和微小的距離，其相對運動速度已經(jīng)達到了光速的顯著比例，而距離僅數(shù)倍于黑洞的特征尺寸，即史瓦西半徑。

這表明兩個天體在合并發(fā)生前不久只相距幾百公里，當時的引力波頻率約為150赫茲。而黑洞是唯一已知的緊湊到可以互相靠近而不合并的物體。根據(jù)測量確定的雙星系統(tǒng)的總質量，即使是一對中子星也不會有足夠的質量，而一對中子星和黑洞的合并頻率則會低于150赫茲。（引力波的頻率與產(chǎn)生引力波源之間距離成反比）

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圖解：GW170817，兩顆中子星合并的模擬圖。與兩顆黑洞合并不同，中子星合并產(chǎn)生的引力波頻率會小于黑洞合并，但中子星碰撞能產(chǎn)生全頻譜的電磁輻射，這也是為什么光學天文望遠鏡也能觀測到的原因。 圖源：LIGO

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作者: quora

FY: 漫步者的友人

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