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二零二零年九月二日

LIGO和Virgo成功观测迄今最重双黑洞合并引发的重力波
中大为香港唯一参与是次研究的院校



国际科学合作组织激光干涉仪重力波观测站(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory Scientific Collaboration,简称LIGO)和处女座重力波团队(Virgo Collaboration,简称Virgo)宣布探测到由两个具理论上不允许的质量之黑洞合并所产生的重力波。这是科学界首次观测到中介质量黑洞,是次发现被称为GW190521,两篇相关研究论文已在《物理评论快讯》期刊(Physical Review Letters)和《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal Letters)发表。香港中文大学(中大)物理系黎冠峰教授和Juan Calderon Bustillo教授率领香港唯一参与LIGO研究工作的团队,深入参与此发现的研究。

黑洞是时空中吞噬一切的区域。黑洞的密度极高,一个质量如同太阳的黑洞只有九龙般大。爱因斯坦在百多年前曾预言,两个黑洞相撞时会产生时空中的涟漪,称为重力波(gravitational waves)。自2015年起,完成升级工作的LIGO探测器(Advanced LIGO)和Virgo探测器已探测到数十次双黑洞合并事件,让科学家得以研究黑洞如何形成及其在宇宙的分布。

中介质量黑洞的首次观测

科学家已知黑洞有两种不同类别。第一种是只有太阳数倍质量的恒星黑洞,例如Advanced LIGO和Virgo过往所观测到的黑洞。这些黑洞是恒星在演化后期耗尽燃料后无法承受自身重力而塌陷的天体。另一种是质量可达太阳数十亿倍的超大质量黑洞,存在于几乎所有星系的中心,包括人类所在的银河系,它们会吞噬任何接近的物体。这些「星际巨人」如何形成仍是科学界的未解之谜。为破解这谜题,科学家推测宇宙存在质量介乎这两种类别之间的第三种黑洞类别—中介质量黑洞。科学家一直无法证明它们的存在,GW190521的发现正是对这种神秘物体的首次观测。

经过仔细分析Advanced LIGO 和Virgo探测器所探测到的GW190521讯号,数据显示这个讯号是由两个分别约85个太阳质量和66个太阳质量的黑洞合并发出。这次合并产生了一个142个太阳质量的黑洞,其余九个太阳质量的物质则在数百毫秒内转化成重力波,使得合并事件所释放的光度超出了整个可观测宇宙所有星系的光度总和。

利用黑洞进行的星际考古

Calderon Bustillo教授表示:「这次观测是Advanced LIGO 和Virgo最震撼和令人兴奋的发现之一。我们第一次观测到中介质量黑洞,各种令人著迷的奥秘和挑战亦随之而来。就像恐龙化石一样,我们可透过黑洞进行星宿间的考古,进一步了解恒星的诞生和死亡。」

黎冠峰教授则表示:「如果我们对恒星演化的认知是正确的话,这次相撞的两个黑洞质量太大了,它们是不可能由恒星塌陷形成的。这可能意味著合并前的两个黑洞,也是由其他黑洞合并而成的。这个发现非常有趣,因为这是我们一直以来推断超大质量黑洞的形成机制之一。」

对爱因斯坦的理论的测试及其他未知领域的探索

黑洞的合并通常分为三个阶段,并在各阶段发出特有的讯号。首先,两个即将合并的黑洞会围绕对方旋进,然后合并成为一个形状扭曲的新黑洞。最后,这个黑洞会释放出称为衰荡(ringdown)的特定讯号,并趋向稳定的最终状态。「这有如铃铛发出的声音,使我们从中得知合并后的黑洞的特性。我们也利用了在此次观测中尤为清晰的衰荡讯号,来测试爱因斯坦的重力理论。这个讯号与爱因斯坦的理论并无矛盾。」黎教授解释道。

不过,科学家仍未完全了解这个黑洞的形成。Calderon Bustillo教授解释:「虽然我们假设这些讯号是由相互绕转然后合并的黑洞所形成,但碍于这次事件中牵涉的巨大质量,我们无法清楚地观测黑洞合并前的讯号。因此,我们不能完全确认合并前发生的事。让我们十分兴奋的是,这容许我们探索其他的可能性和更新奇的机制去解释这个最终黑洞如何形成。」

激光干涉仪重力波观测站LIGO

LIGO由美国国家科学基金会(简称NSF)斥资资助,并由加州理工学院和麻省理工学院运作。这两所院校共同构思和带领Initial and Advanced LIGO projects等一系列研究工作。Advanced LIGO的资助主要由NSF带领,并得到德国马克斯·普朗克学会(Max Planck Society)、英国科技设施委员会(Science and Technology Facilities Council)和澳洲研究局(Australian Research Council)全力支持。

世界各地超过1,200位科学家和百多所院校参与了LIGO科学合作组织的研究,当中包括GEO合作组(GEO Collaboration)及澳洲干涉引力天文协会(Australian Collaboration OzGrav)。其他合作伙伴可参阅以下连结: http://ligo.org/partners.php

处女座重力波团队The Virgo Collaboration

Virgo团队由超过280位物理学家和工程师组成,他们分别属于20个不同的欧洲研究团队,包括法国国家科学研究中心(CNRS)的六个研究团队、意大利国家核物理研究所(INFN)八个研究团队、荷兰国家次原子粒子物理研究所(Nikhef)两个研究团队、匈牙利TA Wigner RCP、波兰POLGRAW研究小组、西班牙瓦伦西亚大学,以及欧洲引力天文台(EGO);位于意大利比萨附近的Virgo探测器正是由EGO负责运作,并由CNRS、INFN和Nikhef资助。

(Image credit: Deborah Ferguson, Karan Jani, Pablo Laguna and Deirdre Shoemaker)
GW190521模拟图 - 目前最重的双黑洞合并
(Image credit: Deborah Ferguson, Karan Jani, Pablo Laguna and Deirdre Shoemaker)
GW190521模拟图 - 目前最重的双黑洞合并

黎冠峰教授及Juan Calderon Bustillo教授(左上一至二)的研究团队。
黎冠峰教授及Juan Calderon Bustillo教授(左上一至二)的研究团队。

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