引力波天文學家首次探測到兩個質量差異顯著的黑洞之間的碰撞——為天體物理學和引力物理學開闢了新的視野。這一事件為這些微弱的時空漣漪提供了首個明確的證據，表明至少有一個黑洞在合併之前是旋轉的，這讓天文學家罕見地洞察了這些黑暗物體的關鍵屬性。
“這是一次非同尋常的事件，”伊利諾伊州芝加哥大學的天體物理學家瑪雅·菲什巴赫說。她說，已發表資料的類似合併都發生在質量大致相等的黑洞之間，因此這個新的合併事件大大打破了這種模式。這次碰撞是去年探測到的，菲什巴赫和她的合作者於4月18日在美國物理學會的虛擬會議上公佈了這一發現，會議完全線上舉行，原因是冠狀病毒大流行。
雷射干涉引力波天文臺 (LIGO)——位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的一對雙探測器——以及義大利比薩附近的處女座天文臺，都在2019年4月12日以高度的置信度探測到了這次事件，事件被識別為 GW190412。包括菲什巴赫在內的 LIGO-處女座合作組織，在 arXiv 預印本伺服器上釋出了他們的發現。
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LIGO 於 2015 年 9 月首次發現引力波，探測到來自兩個合併黑洞的時空漣漪。LIGO 後來與處女座天文臺合作，在 2017 年結束的兩次觀測執行中又進行了十次探測：另外九次黑洞合併和一次兩顆中子星的碰撞，這有助於解釋宇宙重化學元素的起源。
第三次也是最近一次運行於 2019 年 4 月 1 日開始，於 2020 年 3 月 27 日結束，中間在 10 月份中斷了一個月。大大提高的靈敏度使該網路能夠積累大約 50 個“候選事件”，速度約為每週一個。到目前為止，國際合作組織只公佈了本次觀測期間的另一個事件——第二次兩顆中子星之間的合併，被稱為 GW190425，該事件於 1 月份公佈。
扭曲的空間
最新的事件是獨一無二的。合併的兩個黑洞中，一個估計質量約為 8 個太陽質量，另一個是其 3 倍以上，為 31 個太陽質量。這種不平衡使得較大的黑洞扭曲了周圍的空間，因此另一個黑洞的軌跡偏離了完美的螺旋線。這可以在產生的引力波中看到，引力波是在物體螺旋式相互靠近時產生的。所有其他已公佈的合併事件都產生了一個波，該波形成類似的“啁啾”形狀——其強度和頻率都增加，直到碰撞發生的那一刻。但 GW190412 是不同的：它的強度不僅僅像啁啾聲那樣上升。“這使得這個系統非常有趣，僅僅是從訊號的形態來看，”菲什巴赫說。
物理學家曾熱切期待這種“非香草”事件，因為它們提供了新的、更精確的方法來檢驗阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論，即廣義相對論。“我們正處於檢驗廣義相對論的新領域，”馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的另一位 LIGO 成員馬克西米利亞諾·伊西在會議上發言時說。
特別是，研究人員能夠使用這些資料來辨別黑洞的“自旋”。“我們有信心，這個較重的物體一定是旋轉的，”伊西說。之前的事件讓研究人員感到困惑：對銀河系中黑洞的觀測表明，黑洞應該具有高自旋，但這並未在最初兩次執行的引力波資料中顯示出來。
天體物理學家希望探測自旋能夠揭示黑洞是如何形成並相互繞軌道執行的。不對稱合併中更豐富的資訊有助於更精確地測量事件與銀河系的距離。積累許多這樣的測量結果可以為繪製宇宙膨脹歷史提供一種新方法。
處女座天文臺的物理學家、阿姆斯特丹國家亞原子物理研究所的喬·範登·布蘭德說，LIGO-處女座合作組織將繼續釋出更多來自其大量未發表資料的成果，包括特別有趣或令人興奮的個別事件。“我認為收穫相當不錯，讓我這樣說吧。”
本文經許可轉載，並於 2020 年 4 月 20 日首次發表。