Ligo和Virgo Gravitational-Waveors的大规模“Bang”：由二元黑洞合并时空摇动的空间织物

激发并合并并发射引力波的两个黑洞的数值模拟。黑洞的质量大且几乎相等，一个黑洞的质量仅比另一个大3％。模拟的引力波信号与LIGO和处女座引力波探测器在2019年5月21日（GW190521）的观察结果一致。

二进制黑洞合并可能产生的引力波等于八个太阳的能量。

对于所有巨大的空虚，宇宙正在哼着一种以引力波的活动。由极端的天体物理现象产生，这些混响涟漪并摇动时空的结构，就像宇宙铃的铿cl声一样。

现在研究人员已经检测到可能是在引力波中观察到最巨大的黑洞合并的信号。合并的产物是“中间质量”黑洞的第一次清晰检测，质量在100至1,000倍的太阳之间。

他们检测到他们在2019年5月21日标记为GW190521的信号，与国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台（Ligo），在美国，一对相同，4公里长的干涉仪;和处女座，意大利的3公里长的探测器。

类似于四个短发布的信号，持续时间非常短，持续低于十分之一。从研究人员可以告诉的，GW190521是由一个大约5千兆字符串的来源产生的，当宇宙大约是年龄的一半时，使其成为目前最远的重力波来源之一。

对于基于强大的最先进的计算和建模工具而产生的该信号，科学家认为GW190521最有可能由二进制黑洞合并产生不寻常的属性。

迄今为止，几乎每一个确定的引力波信号都是来自两个黑洞或两个中子星之间的二元合并。这个最新的合并似乎是最巨大的，涉及两个普遍存在的黑洞，肿块约为85和66倍的阳光质量。

: 该艺术家的概念示出了合并黑洞的分层方案。LIGO和处女座最近发现了一个黑洞合并，其最终质量是太阳的142倍，这是迄今为止在重力波中观察到的最大规模的黑洞合并。

LIGO-Virgo小组还测量了每个黑洞的自旋，发现随着黑洞之间的盘旋越来越近，它们可能绕着自己的轴旋转，而其角度与它们的轨道轴不成一直线。黑洞错位的自旋可能会导致轨道旋转或“进动”，这是因为两个巨人相互螺旋形旋转。

新信号可能表示两个黑洞合并的瞬间。该合并创造了一个大约142个太阳能肿块的巨大黑洞，并释放了巨大的能量，相当于8周围的太阳能群众，以引力波的形式蔓延到宇宙中。

“这看起来像一条唧唧声，这是我们通常被检测的唧唧声，”法国国家科学研究中心（CNRS）的研究员Virgo成员纳尔逊克里斯滕森（CNRS），将信号与Ligo的首次检测到重力波进行了比较2015年。“这更像是'砰'的一声，这是LIGO和处女座所看到的最大的信号。”

弥补Ligo科学协作（LSC）和处女座协作的国际科学家团队报告了他们今天发表的两篇论文中的调查结果。一个，出现在物理审查信中，在天体物理期刊字母中详细描述了发现，另一个发现了信号的物理性质和天体物理学意义。

“Ligo再次惊喜美国不仅仅是难以解释的尺寸的黑洞，而是使用没有专门针对恒星兼并设计的技术，”国家科学的引力物理学计划总监Pedro Marronetti说基础。“这具有极其重要的意义，因为它展示了仪器从完全无法预料的天体物理事件中检测信号的能力。LIGO证明它也可以观察到意外情况。”

在质量差距

两个鼓舞人心的黑洞以及最后一个黑洞的独特巨大质量，引发了一系列有关其形成的问题。

迄今为止观察到的所有黑洞都适合两类：恒星 - 质量黑洞，从几十天的太阳能群体测量到几十太阳群体，并被认为是在大规模的恒星死亡时形成的;或超大的黑洞，例如银河系中的一个，是来自数十万的数十亿次我们的太阳。

然而，由GW190521生产的最终142-太阳能黑洞在恒星 - 质量和超大拆分黑洞之间的中间质量范围内折射起来 - 这是有史以来第一次检测到的。

产生最终黑洞的两个祖先的黑洞也似乎是独特的。它们如此巨大，以至于科学家们怀疑它们中的一个或两个可能不是像大多数恒星质量黑洞那样由坍缩的恒星形成的。

根据恒星演化的物理学，恒星核心中的光子和气体所产生的向外压力会支撑恒星抵抗重力向内推动，从而使恒星像太阳一样稳定。大质量恒星的核融合了像铁一样重的核后，它将不再产生足够的压力来支撑外层。当这种向外的压力小于重力时，恒星在其自身重量下坍塌，在称为核心崩溃超新星的爆炸中，可以留下黑洞。

这个过程可以解释质量高达130个太阳质量的恒星如何产生高达65个太阳质量的黑洞。但是对于较重的恒星来说，一种称为“成对不稳定性”的现象被认为会发生。当核心的光子变得非常高能时，它们会变形为电子对和反电子对。这些对产生的压力小于光子，从而使恒星变得不稳定，以防万有引力坍塌，并且由此产生的爆炸足够强大，不会留下任何东西。甚至超过200个太阳质量的更大质量的恒星最终将直接坍塌到至少120个太阳质量的黑洞中。然后，坍塌的星光应该不能在大约65和120太阳能质量之间产生黑洞 - 一种被称为“对不稳定性质量差距”的范围。

但是现在，在85个太阳能质量下产生GW190521信号的两个黑洞的较重是在对不稳定的质量间隙内检测到的第一个。

“我们看到这种群众差距中的黑洞的事实会让很多天体物理学家划伤他们的头，并试图如何制作这些黑洞，”克里斯滕森说，谁是阿尔忒弥斯实验室的主任法国的美丽天文台。

研究人员在第二纸中考虑的一种可能性是分层合并，其中两个祖先的黑洞本身可能已经由两个较小的黑洞的合并形成，然后在迁移并最终合并之前。

“此次活动开启了比提供答案更多的问题，”Caltech的物理学教授Ligo成员Alan Weinstein说。“从发现和物理学的角度来看，这是一件非常令人兴奋的事情。”

“意外的东西”

关于GW190521，还有许多其他问题。

由于Ligo和Virgo探测器侦听通过地球的引力波，自动搜索梳理通过传入数据进行有趣的信号。这些搜索可以使用两种不同的方法：挑选可能已经由紧凑二修系统生产的数据中的特定波模式的算法;更普遍的“爆发”搜索，基本上寻找普通人的任何东西。

Ligo成员Salvatore Vitale，MIT的物理学助理教授，将紧凑的二进制搜索“通过数据传递梳子，这将抓住一定的间隔，”与突发搜索相比，更多是“捕获 - 所有”方法的突发搜索。

在GW190521的情况下，它是一个突发的搜索，更清楚地稍微拾取信号，打开引力波从二元合并以外的东西产生的非常小的机会。

“断言我们已经发现了新的东西非常高，”Weinstein说。“所以我们通常会应用冬季的剃刀：更简单的解决方案是更好的解决方案，在这种情况下是一个二进制黑洞。“

但是，如果一个完全新的产生这些引力波浪怎么办？这是一个诱人的前景，在他们的论文中，科学家们在宇宙中简要考虑了可能产生他们检测到的信号的其他来源。例如，也许引力波是由我们银河系中一颗正在坍塌的恒星发出的。该信号也可以来自宇宙在最早的时刻膨胀之后产生的宇宙字符串 - 尽管这些异国情调的可能性都不匹配数据以及二元合并。

“既然我们首先打开利罗，我们以信心观察到的一切都是黑洞或中子恒星的碰撞，”Weinstein说：“这是我们分析允许这一事件不这样碰撞的一个事件。虽然这一事件与来自一个异常大规模的二进制黑洞合并的事件一致，但替代解释不容妨碍，它正在推动我们信心的界限。这可能使它非常令人兴奋。因为我们一直希望有一些新的东西，意外的东西，这可能会挑战我们已经学到的东西。这个事件有可能这样做。“

阅读快速'BANG'信号，最大的引力波来源更多地检测到这项研究。

参考：

“ GW190521：R. Abbott等人的总质量为150M⊙的二进制黑洞合并。（LIGO科学协作与处女座协作），2020年9月2日，体检信。
10.1103 / PhysRevLett.125.101102

R. Abbott，TD Abbott，S。Abraham，F。Acernese，K。Ackley，C。Adams，RX Adhikari，VB Adya，C。Affeldt，“ 150太阳质量二进制黑洞合并器GW190521的特性和天体意义”，阿加索斯（M. Agathos）与LIGO科学合作与处女座合…作（2020年9月2日），《天体物理学杂志快报
》。10.3847 / 2041-8213 / aba493

该研究由美国国家科学基金资助。