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2017-06-04 時空漣漪有助解開黑洞彼此繞行之謎

 
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撰文 / 李見修(Subaru望遠鏡支援天文學家)

  雷射干涉重力波天文台(LIGO)的科學家們第三度偵測到了雙黑洞合併時所產生的重力波。更特別的是,這一次重力波訊號裡有著小小的漣漪,讓科學家得以推測出這兩個黑洞的另一項重要特徵,也就是黑洞自轉的方向。這將有助於解開雙黑洞形成的機制。

  早在2015年,LIGO便偵測到兩起重力波事件:一次是在9月的時候,由兩個各約30倍太陽質量的黑洞合併而來。另一次則是在12月的時候,由兩個較輕的黑洞(分別為14倍與8倍太陽質量)合併時產生。偵測到重力波當然讓科學家非常興奮,但卻也讓理論學家困惑不已:雙黑洞要非常靠近才會合併,那麼如此近的成對黑洞又是如何產生的呢?

黑洞怎麼來的?

  首先讓我們來回顧一下單一黑洞是怎麼產生的。黑洞是超大質量恆星演化到最後的產物。當恆星中心的氫燃燒完之後,外層便會開始膨脹變成巨星。在數億年之後,巨星核心的核融合反應所產生的熱壓力無法抵抗重力,這時巨星就會開始塌縮變成黑洞,同時伴隨著超新星爆發。

黑洞怎麼也會成雙成對?

  而對於成對黑洞,科學家們想出了兩種可能的形成機制。第一種,是成對黑洞來自來自超大質量雙星系統,然後兩顆大質量恆星一前一後演化為黑洞。在這樣的情況下,當一顆恆星已成為黑洞,而另一顆恆星還在巨星階段時,巨星膨脹的外層會被黑洞吸積,最後由黑洞與巨星共享。共享的外層會產生摩擦力,讓黑洞與巨星越繞越近。等到巨星也演化成黑洞時,便形成兩個非常靠近的黑洞了。在這個機制底下,兩個黑洞自轉的方向皆與公轉的方向一致

  另一種機制則是在星團中透過多體作用,一個由黑洞與恆星組成的雙星系統碰巧經過另一個單獨的黑洞。三者重力互相影響,最輕的物體(恆星)受到的影響最大,因此被甩出,而兩個黑洞開始彼此互繞,但距離還很遠,不足以產生合併。在星團中,雙黑洞每經過一次其它恆星,便會再一次多體作用。在甩出較輕的恆星時,雙黑洞也會損失動量,因次越靠越近,最後開始合併。在這個機制底下,產生的雙黑洞可以有各種各樣的自轉方向

這次事件有何特別?

  前兩次的重力波訊號不足以讓科學家推測黑洞自轉的資訊,但是在今年一月時,由兩個分別為31倍與19倍太陽質量黑洞所產生的重力波,讓科學家們得以偵測到這兩個黑洞自轉的資訊:這兩個黑洞自轉的方向並不同,而且有很大的機率(80%)是完全相反的方向,因此很有可能是由多體作用而來!

  但目前僅有這一次偵測,樣本數還太少,不足以下最後的結論。LIGO的科學家們還需要觀測更多的重力波事件。而在今年8月後,LIGO將會暫時下線12-18個月的時間進行硬體升級,屆時儀器的靈敏度將會大幅提高,提供我們更詳細的重力波觀測。

資料來源:http://www.sciencemag.org/news/2017/06/ligos-latest-space-ripples-may-untangle-black-hole-tango

責任編輯:胡佳伶

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