pi 70億光年外傳來超級大爆炸，8顆太陽質(zhì)量瞬間消失，細節(jié)令科學(xué)家困惑( 五 ) 天文學(xué)家|太陽|pi|引力波|恒星

諾貝爾物理獎評審委員會前主席G?sta Ekspong在訪問中國科學(xué)院高能物理研究所時曾留言，“我遇到了一位創(chuàng)造了偉大歷史記錄的人，即趙忠堯教授，他幾乎在1930年就發(fā)現(xiàn)了正電子，是在安德森之前。
作為第一例反物質(zhì)粒子，正電子的發(fā)現(xiàn)對人類認識宇宙中的物質(zhì)有著深刻重要的意義，這是中國學(xué)者對物理學(xué)發(fā)展做出的極為重要貢獻。今天我們知道不僅僅是電子，每一種正物質(zhì)粒子都有與其相對應(yīng)的反物質(zhì)粒子，它們遵從1928年問世的狄拉克方程。
雙黑洞并合，還是其他？
2019年5月21日，LIGO的兩座干涉儀（美國華盛頓州的漢福德LHO和路易斯安納州的利文斯頓LLO），以及意大利北部Virgo干涉儀在第三次運行期間檢測到了這次事件信號。新發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了引力波探測的多項紀錄——初始雙黑洞最大，分別為85倍太陽質(zhì)量和66倍太陽質(zhì)量；并合后的黑洞質(zhì)量最大，142倍太陽質(zhì)量；并合過程中轉(zhuǎn)換為引力波能量的黑洞質(zhì)量最多，約8倍太陽質(zhì)量以強大引力波能量的形式從雙黑洞并合處向宇宙時空輻射出去；距離最遠，引力波信號用了70億年傳到我們地球，考慮到宇宙膨脹的因素，黑洞距離地球約170億光年。

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圖中給出10個雙黑洞并合引發(fā)的引力波事件，并用小球的大小形象地代表黑洞質(zhì)量。就Schwarzschild黑洞而言，黑洞質(zhì)量與黑洞半徑呈線性關(guān)系。GW190521事件是到目前為止發(fā)現(xiàn)最大質(zhì)量的雙黑洞并合事件。丨圖源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)這次信號來得也很急促，只持續(xù)不到0.1秒。而且信號峰值頻率約60Hz，恰是美國城市交流電頻率。對于從事數(shù)據(jù)分析的科學(xué)家來說，短信號或有可能只是一次噪聲。研究人員在發(fā)表于《物理學(xué)評論通訊》（PRL）的論文中表示，他們并未發(fā)現(xiàn)明顯的電力波動，檢測供電系統(tǒng)的傳感器十分敏感，因為電壓波動比一般的瞬態(tài)噪聲還小得多。
他們將該信號與最初發(fā)現(xiàn)引力波的信號進行對比，“這更像是某種東西‘爆炸’，并且是LIGO-Virgo探測到最劇烈的信號”，法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）研究員Nelson Christensen說。LIGO-Virgo多個團隊對信號進行了詳細分析，背景噪聲相對于以往并無太大差別，又排除了其他偶然事件（LHO周邊恰有直升機經(jīng)過），讓他們確定信號不是噪聲。
那么究竟是否是引力波信號呢？LIGO-Virgo合作團隊有兩類算法來識別信號，一種是在數(shù)據(jù)中挑選出特定的模型雙星并合信號，依靠設(shè)計好的雙黑洞或中子星等天體運動的模型作為模板，而且為了相互驗證，這類算法中是兩種不同的工具（PyCBC和GstLAL）；另一種是更“萬能”（coherent WaveBurst，簡稱“cWB”），針對各種突發(fā)信號，錯誤率僅為4900年一次，最早發(fā)現(xiàn)的引力波信號就是通過這種算法發(fā)現(xiàn)的。三種算法都發(fā)現(xiàn)了本次事件信號，在PRL的論文中，他們主要解釋了算法識別的真實性，肯定了信號源于引力波，并且符合雙黑洞并合模型，同時確定相關(guān)參數(shù)。

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上三張圖中，GW190521引力波事件信號埋藏在背景噪聲中，而且相對LIGO的而言，Virgo的信號很弱。下三張圖中，不同頻率成分的信號強度（黃顏色表示最強）隨時間的變化；同樣地，用人眼鑒別很難判斷Virgo是否探測到信號（右下）。丨圖源：DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.101102同時發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通訊》（ApJL）的文章詳細分析了信號來源。雙星系統(tǒng)并合的引力波模型中主要分三個階段——環(huán)繞（Inspiral）、并合（Merge）和鈴宕（Ringdown，最終穩(wěn)定前的階段，就像敲鐘后）。事件信號雖短，但整個過程符合廣義相對論解析/數(shù)值解和數(shù)值相對論模擬給出的雙黑洞并合模型。值得一提的是，鈴宕階段模擬給出最終黑洞的有效進動自旋較大，暗示了存在進動——黑洞的自旋軸與軌道軸不一致而引發(fā)的。事實上，自動檢測信號的算法中并沒有納入黑洞自旋軸環(huán)繞軌道軸進動的模型，所以研究人員在檢測到信號時就擔心模板不適用，最終模擬結(jié)果是黑洞自旋軸環(huán)繞軌道軸的進動對模型影響很小。這似乎暗示著某種程度的模型參數(shù)簡并。
數(shù)值相對論模擬顯示黑洞演化并釋放出引力波輻射丨來源：D. Ferguson, K. Jani, D. Shoemaker, P. Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration【相關(guān)視頻請前往“返樸”公眾號查看】

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