引力波与黑洞： 理解宇宙演化

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[20世纪60年代，天文学有四个重要发现:星际有机分子、微波背景辐射、脉冲星和类星体。这四个发现都是研究射电天文学方法探测到的无线电波的结论。星际有机分子的发现有助于人类深入了解星云，也有可能揭开生命起源的神秘面纱。]

众所周知，世界上所有的事物之间都有万有引力。例如，地球上物体的重量是由地球的重力引起的。然而，科学家们还没有完全理解重力的本质，这是众所周知的。无论是在理论领域还是在实验领域，物理学家仍在努力探索重力。

2月11日，ligo(激光干涉引力波观测站)召开新闻发布会，向全世界宣布引力波首次被直接探测到，据说是在遥远的宇宙空之外，是由两个黑洞(太阳质量的36倍和太阳质量的29倍)碰撞形成一个质量为太阳62倍的黑洞造成的。全世界都为之兴奋，天文学和物理学专家更是兴奋不已。

那么，引力波探测和黑洞有什么关系呢？它将如何影响我们的科学技术？

四大发现

20世纪60年代，天文学有四个重要发现:星际有机分子、微波背景辐射、脉冲星和类星体。这四个发现都是研究射电天文学方法探测到的无线电波的结论。星际有机分子的发现有助于人类深入了解星云，也有可能揭开生命起源的神秘面纱。另外三个发现都与“引力”有关，也就是说，它们直接或间接地为爱因斯坦100年前建立的广义相对论提供了实验证据。

两位美国工程师在半个世纪前观测并证实的微波背景辐射为基于广义相对论描述宇宙诞生和演化的大爆炸模型提供了非常重要的基础。微波背景辐射使宇宙学成为一门精确的实验科学，对cmb辐射模式细节的分析和研究至今方兴未艾。

脉冲星实际上是中子星，也就是说，核心由中子组成。广义相对论建立后，天体物理学家也用这一理论来研究恒星的演化。恒星的生命历程与其质量密切相关，质量本质上与重力有关。例如，太阳大小的恒星寿命约为100亿年，例如，我们的太阳处于中年，或者大约50亿年后，太阳会爆发成红巨星，然后冷却下来，变成白矮星，最后变成未被发现的黑矮星。然而，质量是太阳三倍以上的恒星的命运与太阳的不同。在它们爆发成红色的超级巨星和超新星后，由于它们强大的引力，它们最终会坍缩成中子星或黑洞。

尽管中子星密度极高，难以想象，但它仍然由我们熟知的“中子”组成。中子是科学家可以在实验室检测到的东西。它是一种众所周知的基本粒子，也存在于普通物质中。什么是黑洞？这真是难以捉摸。从普遍意义上来说，黑洞意味着当它进入时，一切都不能出去，光也不能出去。从广义相对论的角度来看，黑洞是空.之间的奇点因此，可以说这颗恒星最终坍缩成了一个黑洞，这是一次真正奇妙的“引力坍缩”。

类星体的发现

20世纪60年代天文学“四大发现”中的另一个是类星体的发现。为什么它被称为类星体？因为如果我们用光学望远镜观察它们的外观，它们似乎和恒星没有什么不同。然而，从它们身上观察到的“红移”非常大，不可能是恒星，所以它被称为“类星体”。

从类星体的红移值来看，它们更像星系。然而，它们的大小也可以通过观察类星体的光度变化周期来判断，但发现它们的大小远远小于普通星系。类星体的规模很小，但它们的辐射能力相当大。此外，还有一些难以解释的特征，后来大量的观测数据使人们将它们与黑洞联系起来。

后来，在发现类星体的宿主星系后，天文学的主流观点基本上认为类星体是年轻而活跃的星系核，这是星系早期发展的一个过程，称为“agn”阶段。在银河核心的中心是一个巨大的超重黑洞。在黑洞的强大引力下，一些尘埃或恒星物质围绕着黑洞，形成一个高速旋转的吸积盘。外部物质被吸进吸积盘，而黑洞视界中的物质不断落入黑洞并被黑洞吞噬。巨大的物质射流从垂直于吸积盘平面的方向高速喷出，伴随着大量的能量辐射。

类星体最终会演化成像我们银河系一样的螺旋星系，或者另一种:椭圆星系。

最有趣的是，后来天文学家观察到一些带有两个超重黑洞的类星体，这极大地引起了人们的兴趣。既然黑洞会吞噬周围的一切，那么当两个黑洞相遇时会发生什么呢？最简单和最直观的猜测是，它们会互相吞噬，最终合并成一个更大的黑洞。在碰撞和融合的过程中，大量的能量将以引力波的形式释放出来。

吸积盘中第一个带有双超重黑洞的类星体是位于室女座的pks1302-102，它距离地球35亿光年。这个类星体位于一个椭圆星系中。根据计算，这两个黑洞应该在33.39亿年前相互吞噬并融合，但融合后的图像需要35亿年才能到达我们这里！这个光学信息还在半路上，所以我们还是会观察到“双黑洞”！然而，从现在开始，从这个类星体收到的信息应该会非常精彩，这样我们就可以看到两个黑洞是如何碰撞和融合的！

此外，除了光信号，还有引力波。物理理论认为引力波也以光速传播，所以在两个黑洞的碰撞和合并中产生的引力波也应该被探测到！

因此，带有双黑洞的类星体或带有两个黑洞的双星系统已经成为引力波探测的热门候选者。近年来，美国的ligo观测目标已经指向了这样的天体。这一次，专家们向全世界宣布，引力波第一次被直接探测到，据说引力波远离遥远的宇宙空，是由两个黑洞(质量是太阳的36倍，质量是太阳的29倍)碰撞形成一个质量是太阳的62倍的黑洞造成的。显然，这里有一个问题:36+29=65，而不是62，三个太阳质量在哪里？事实上，这是我们探测引力波能力的基础。相当于三个太阳质量的物质被转换成巨大的能量并释放到空台！正是由于如此巨大的能量辐射，我们在远离这两个黑洞的小地球上已经探测到了来自碰撞和合并的微弱引力波。

(作者是美国得克萨斯州奥斯汀大学的理论物理学博士。这篇文章是在知识分子(一个新的移动媒体平台)的授权下发表的，带有编辑和删节功能。(

来源：安莎通讯社