文章介紹了天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了兩個質(zhì)量有明顯差異的黑洞的碰撞，基于這以現(xiàn)象產(chǎn)生了較弱的引力波頻率。科學(xué)家們正努力地解決這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。

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就在一年前左右，2019年4月12日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）合作組織探測到了引力波，該引力波來自24億光年外的兩個黑洞的史詩級碰撞。令人驚嘆的是，到現(xiàn)在為止其本身并沒有任何異常。

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但正如天文學(xué)家所言，實(shí)際上我們先前從未見過GW190412這樣的碰撞。GW190412并不是由兩個質(zhì)量為太陽20到40倍且大致相等的黑洞碰撞產(chǎn)生，而是由一個內(nèi)部質(zhì)量相差極大的黑洞雙星產(chǎn)生的。

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圖解：目前檢測到的其它黑洞碰撞事件，兩個天體的質(zhì)量大致相同（圖源：LIGO）

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根據(jù)對這些引力波的分析，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其中一個黑洞的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的29.7倍，而另一個則小得多，質(zhì)量僅有該黑洞的三分之一，約為8.4個太陽的質(zhì)量。這也是迄今為止探測到的質(zhì)量最小的黑洞雙星——這令人們無比興奮，因?yàn)檫@意味著這一雙星合并產(chǎn)生的信號，比其他黑洞合并產(chǎn)生的信號要長——也就是說有豐富的數(shù)據(jù)等著人們?nèi)ヌ綔y。

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圖解：兩個質(zhì)量不相等的黑洞引力波的想象圖（圖源：LIGO）

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“黑洞本身并沒有帶給我們太多驚喜。我們知道有這些大小的黑洞存在，但是我們的新收獲在于它們的質(zhì)量比”，美國西北大學(xué)的天文學(xué)家克里斯托弗·貝里（Christopher Berry）和LIGO科學(xué)合作組織在一篇博文中解釋道。

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“這一觀測使得我們用一種新的方式去測試我們對引力波信號的預(yù)測是否正確，同時這也是理解黑洞雙星如何形成的重要部分?！?/span>

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LIGO-Virgo合作組織在美國物理學(xué)會4月份的虛擬會議上發(fā)表了研究成果。

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引力波信號反映出，其他引力波都是由質(zhì)量大致相等的黑洞雙星產(chǎn)生的。由于黑洞的質(zhì)量大致相等，在各軌道上二者會返回到相同的相對位置。

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這導(dǎo)致引力波頻率大約是雙星系統(tǒng)軌道頻率的兩倍，這一頻率即黑洞環(huán)繞彼此運(yùn)動的周期時間長短。但是雙星系統(tǒng)內(nèi)部二者質(zhì)量相差較大時，軌道是不平衡的，這就產(chǎn)生了第二個較弱的引力波頻率。

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圖解：質(zhì)量不對稱和軌道進(jìn)動的黑洞二星合并的數(shù)值模擬靜止圖像（圖源：LIGO）

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在GW190412中人們就觀察到了這一現(xiàn)象，GW190412產(chǎn)生了兩個不同的頻率（黑洞在合并過程中會產(chǎn)生一系列“嗡嗡聲”），就像兩根吉他弦同時震動一樣，是頻率的組合體。

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圖解：LIGO-Virgo探測的GW190412時間頻率圖。從上到下分別為LIGO Hanford、LIGO Livingston和Virgo。LIGO的兩臺探測器得到的雙星“嗡嗡”聲更清晰，其中Livingston獲得的信號最大

（圖源：gw-openscience）

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令人驚訝的是，這兩個頻率相當(dāng)于相隔五個音符，也就是所謂的一個純五度音程。當(dāng)你唱 "一閃一閃，亮晶晶"時，第一個“一閃”就構(gòu)成了這個音程。

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研究小組對這些頻率進(jìn)行了另一個基于廣義相對論的測試。基本上他們把引力波分為前后兩部分，并用廣義相對論的方程來計算得出信號的另一部分。

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前后兩部分與計算結(jié)果相吻合，產(chǎn)生了迄今為止這項(xiàng)研究中最可靠的結(jié)果。

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基于合并后產(chǎn)生的不尋常信號，研究小組還能進(jìn)行更多測量。他們能夠確定較大的黑洞正在自轉(zhuǎn)——這通常非常難測量，之前也僅在兩個其他黑洞的合并中暫時出現(xiàn)過。

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在GW190412中，這種自轉(zhuǎn)似乎相當(dāng)快。這可能是一個線索，來說明這樣一個不均勻的雙星是怎么形成的。黑洞雙星的形成有幾種天體物理學(xué)模型，但大多數(shù)模型都是等質(zhì)量對。

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圖解：兩個相互環(huán)繞的黑洞模型（圖源：scitchdaily）

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最公認(rèn)模型的是一種雙星系統(tǒng)，其中每一顆恒星都會坍縮成一個黑洞。然而，人們認(rèn)為這不可能產(chǎn)生質(zhì)量差距較大的黑洞雙星，于是GW190412由此產(chǎn)生的可能性就被排除了。

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有可能這些黑洞是獨(dú)立產(chǎn)生的，然后以某種方式聚集在一起，在軌道上相互吸引。但高速自轉(zhuǎn)的較大黑洞表明，在GW190412形成之前，該黑洞可能已經(jīng)與其他黑洞合并在一起了。

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如果這些黑洞是在三星或者四星系統(tǒng)中，那么可能較大的黑洞已經(jīng)與其他黑洞進(jìn)行了合并。若它們只是漂浮在常規(guī)空間中，合并后的反沖力會擾亂這個系統(tǒng)——但如果是處在星系中央超大質(zhì)量黑洞周圍的圓盤中，那么合并是可行的。

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在那里，極端引力環(huán)境可以讓與恒星相同質(zhì)量的黑洞連續(xù)幾次合并，而不會被反沖力踢走。

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現(xiàn)階段還無法確定這一推測是否正確，但隨著LIGO-Virgo合作組織每隔幾天就會進(jìn)行一次探測，我們可能不會等太久就能得到答案。

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此外，黑洞雙星并非GW190412中的唯一巧合。這兩個黑洞之間的質(zhì)量之比 "大致相當(dāng)于在一個夾心增量奧利奧（Mega Stuf Oreo）中填入一個普通奧利奧的比例，"貝里指出，“我們正在調(diào)查奧利奧和黑洞形成之間聯(lián)系。“

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圖解：各種各樣的奧利奧 （圖源：smartcanuscks）

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你可以在LIGO網(wǎng)站上閱讀該團(tuán)隊的完整論文。

作者: MICHELLE STARR

FY: JuJunia

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