引力波研究界的期望已經(jīng)實現(xiàn)：引力波的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為這些科學(xué)家們?nèi)粘９ぷ鞯囊徊糠?，因為在過去的觀測中，發(fā)現(xiàn)了大約每周一次的O3新引力波候選者。

但現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個不同于以往任何一個信號的顯著信號：GW190412是O3首次觀測到的雙星黑洞合并，其中兩個黑洞的質(zhì)量截然不同，大約是太陽的8倍和30倍。

這不僅使系統(tǒng)的天體物理性質(zhì)有了更精確測量，而且也使LIGO/室女座的科學(xué)家們：能夠驗證愛因斯坦廣義相對論到目前為止還沒有經(jīng)過測試的預(yù)測。馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所；AEI）獨立馬克斯·普朗克研究小組“雙星合并觀測與數(shù)值相對論”的負(fù)責(zé)人Frank Ohme說：這是我們第一次在GW190412中‘聽到’明確無誤的高次諧波引力波嗡嗡聲，類似于樂器的泛音。

證實廣義相對論的預(yù)測

在像GW190412這樣質(zhì)量不等的雙星黑洞系統(tǒng)中，這是第一次觀察到這種類型：引力波信號中的這些泛音，比通常觀測到的要大得多。這就是為什么以前聽不到它們的原因，但在GW190412中，終于可以聽到了。這次觀測再次證實了愛因斯坦的廣義相對論，廣義相對論預(yù)言了這些高次諧波的存在，也就是說，引力波的頻率是目前觀測到基頻的兩到三倍。

波茨坦阿爾伯特·愛因斯坦研究所“天體物理和宇宙相對論”系的博士生羅伯托·科特斯塔(Roberto Cotesta)說：位于GW190412中心黑洞的質(zhì)量分別是太陽的8倍和30倍，這是觀察到第一個兩個黑洞質(zhì)量相差如此之大的雙星黑洞系統(tǒng)！這種巨大的質(zhì)量差異，意味著可以更精確地測量該系統(tǒng)的幾個屬性：它到地球的距離、我們看它的角度，以及重黑洞繞其軸旋轉(zhuǎn)的速度有多快。

前所未有的信號

2019年4月12日，LIGO探測器和室女座探測器都觀測到了GW190412，也就是探測器第三次觀測運行O3的早期。分析顯示，合并發(fā)生在距離地球19億至29億光年的地方。這個新的不等質(zhì)量系統(tǒng)是一個獨特發(fā)現(xiàn)，因為LIGO和室女座探測器之前觀測到的所有雙星黑洞，都由兩個大致相等的質(zhì)量組成。不相等的質(zhì)量在引力波信號上留下了印記，這反過來又使科學(xué)家能夠更精確地測量該系統(tǒng)的某些天體物理性質(zhì)。

高次諧波的存在，使得打破到系統(tǒng)的距離和觀察其軌道平面角度之間的模糊性成為可能；因此，這些性質(zhì)可以比沒有高次諧波的等質(zhì)量系統(tǒng)以更高的精度被測量。波茨坦阿爾伯特·愛因斯坦研究所“天體物理和宇宙相對論”部門主任、馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園教授亞歷山德拉·布南諾(Alessandra Buonanno)說：在O1和O2期間，研究人員觀察到了由恒星質(zhì)量黑洞組成雙星群體的冰山一角。

由于靈敏度的提高，GW190412已經(jīng)開始揭示了更加多樣化的系統(tǒng)，其特征是質(zhì)量不對稱高達(dá)4倍，黑洞的自轉(zhuǎn)速度約為廣義相對論允許最大值的40%。阿爾伯特·愛因斯坦研究所的研究人員對檢測和分析GW190412做出了貢獻(xiàn)，并提供了來自合并黑洞引力波的精確模型，其中首次包括了黑洞自旋的進(jìn)動和超出主導(dǎo)四極桿的多極矩。那些印在引力波波形上的特征，對于提取有關(guān)信號源特性的獨特信息和進(jìn)行廣義相對論測試至關(guān)重要。

檢驗愛因斯坦的理論

LIGO/室女座的科學(xué)家，還使用GW190412來尋找信號與愛因斯坦廣義相對論預(yù)測的偏差。盡管該信號具有與迄今發(fā)現(xiàn)的所有其他信號不同的性質(zhì)，但研究人員無法發(fā)現(xiàn)與廣義相對論預(yù)測有顯著差異。

改進(jìn)國際探測器網(wǎng)絡(luò)

這是國際引力波探測器網(wǎng)絡(luò)第三次觀測（O3）中的第二次發(fā)現(xiàn)，三個大型探測器的科學(xué)家已經(jīng)對儀器進(jìn)行了幾次技術(shù)升級。阿爾伯特·愛因斯坦研究所所長、漢諾威萊布尼茨大學(xué)引力物理研究所所長卡爾斯滕·丹茲曼(Karsten Danzmann)說：在O3期間，壓縮光被用來提高LIGO和室女座的靈敏度。這種仔細(xì)調(diào)節(jié)激光量子力學(xué)特性的技術(shù)，是德國-英國探測器GEO600率先采用的。

AEI正在領(lǐng)導(dǎo)世界范圍內(nèi)最大限度地提高擠壓程度的努力，這已經(jīng)將GEO600探測器的靈敏度提高了兩倍。而且在這項技術(shù)方面的進(jìn)步，將使所有未來的引力波探測器受益。探測器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)對O3中可能發(fā)生的56個引力波事件(候選事件)發(fā)出警報。在這56個信號中，另一個確認(rèn)信號GW190425已經(jīng)發(fā)布。LIGO和室女座的科學(xué)家，正在檢查所有剩余的54個候選者，并將公布所有詳細(xì)后續(xù)分析確認(rèn)其天體物理起源的候選者。

對GW190412的觀測意味著，類似的雙星黑洞系統(tǒng)，可能并不像一些模型預(yù)測的那樣罕見。因此，隨著未來更多引力波觀測和不斷增長的事件目錄，預(yù)計會有更多這樣的信號。其中每一個都可以幫助天文學(xué)家更好地理解黑洞及其雙星系統(tǒng)是如何形成的，并為時空的基本物理提供新線索。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

參考期刊《arXiv》

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)