揭开超大质量黑洞的形成之谜

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据媒体报道，银河系存在不计其数的黑洞，那么黑洞是如何成长为超大质量黑洞的呢？这项研究的主要负责人有两位，分别是来自CSIRO的博士后研究员拉杨·沙能(Ryan Shannon)，以及墨尔本大学和CSIRO联合培养的博士生维克拉姆·拉维(Vikram Ravi)。

这些观测主要是英联邦工业与研究组织(CSIRO)的Parkes射电望远镜给出的引力波数据。该论文的合著者，澳大利亚科廷大学国际射电天文学数据节点中心的拉姆什·巴特(Ramesh Bhat)博士表示：“这是我们首次有机会运用引力波数据对宇宙的另外一面开展研究工作，那就是超大质量黑洞的成长。”他说：“目前已经排除了一项现有的黑洞成长模型，而接下来我们将继续对其他现有模型进行考察。”

爱因斯坦曾经预言了引力波的存在——这是一种时空的涟漪，由大质量天体的运动速度或方向发生变化时引发，这类天体中比较典型的如相互围绕运转的两个黑洞等等。当星系之间发生合并，它们各自中央的黑洞也将不可避免地相互遭遇。起先两者会像是跳华尔兹那样相互围绕运转，而最终它们两者将发生碰撞并融合。巴特博士表示：“当黑洞相遇，它们将会释放出引力波，而我们将可以探测到这种引力波的存在。”


天文学家们此前一直借助Parkes射电望远镜开展针对引力波以及一组大约20颗小型但快速旋转的天体，即脉冲星的搜寻和研究工作。脉冲星就像是走时极其精确的太空计时器。其脉冲抵达地球的时间被进行精确测量，结果显示其精度在微秒级。当引力波在时空之中传播，它会造成天体之间距离的短暂改变(膨胀或缩小)，这就将影响到脉冲星的脉冲抵达地球的时间精度。

Parkes脉冲星计时阵列(PPTA)，以及更早时期由CSIRO与斯威本大学在此之前已经积累了超过20年的数据。尽管这样的积累时间还不足以对引力波开展细致研究，但研究人员认为他们已经找对了方向。正如巴特博士表示：“PPTA的结果向我们展示了，引力波背景的噪音是很低的。”他说：“宇宙中引力波背景噪音的强弱直接反映了其中超大质量黑洞之间相互融合的频繁程度，它们的质量规模，以及它们距离我们的远近。因此如果探测显示这种引力波的背景噪音很低，这将对这一问题的解答给出一些限定条件。”

借助PPTA积累的数据，研究组对现有的4个模型进行了研究。他们的研究首先排除了其中的一项模型，该模型认为黑洞之间的相互合并是其获得质量增长的唯一途径。然而其他三项模型仍然需要之后开展进一步的研究。

在天文学家看来，继宇宙大爆炸之后，最富有活力的事件当属两个各自旋转、具有漩涡的黑洞合并为一个更大的黑洞了。那么，是什么力量促使它们发生这样的巨变呢？

以英国剑桥大学为首的一个国际天文学家团队，揭示了宇宙中这一壮观事件，解开了数十年来描述在双星系统轨道上的两个各自旋转黑洞螺旋式碰撞的方程式。

剑桥团队发表在最新一期《物理评论快报》上的科研结果，不仅影响了之前对黑洞的研究，而且有助于加快科学家对宇宙中难以捉摸的引力波（一种由爱因斯坦广义相对论预测的辐射）的搜寻。

据物理学家组织网站日前报道，不像行星与太阳的平均距离不随时间变化那样，广义相对论预言两个黑洞彼此靠拢，并作为一个系统释放出引力波。

该论文第一作者、德克萨斯大学达拉斯分校的迈克尔博士说：“加速电荷，像电子一样，产生包括可见光波在内的电磁辐射。同样，任何时候你有一个加速质量，就可以产生引力波。”输送给引力波的能量会导致两个黑洞螺旋式靠拢，直至合并，这是宇宙大爆炸之后最有意义的事件。那种能量不像可见光那样很容易看到，而是更为难以察觉的引力波。

迈克尔博士说，尽管爱因斯坦的理论预言了引力波的存在，但人们还不能直接探测到它们。根据广义相对论，巨大的天体会扭曲环绕它们的时空，就像一个保龄球落入一片橡胶薄皮上，导致天体，即使是光线，也得沿着曲线路径前行。当两个极度密集的天体，例如中子星（这种恒星如此密集以至于原子里的质子和电子坍塌形成中子）或者黑洞，它们成对出现彼此环绕，之间的相互作用会在时空上产生波纹，也就是所谓的引力波。

迈克尔博士强调，通过一定的工具，比如是“看到”的引力波，就可以为观察和研究宇宙打开了新的窗口。光学望远镜可以捕捉可见物体的照片，如恒星和行星，而无线电和红外望远镜可以揭示肉眼看不到的更多信息。引力波为研究天体物理现象提供了一个定性的新媒介。

该论文的合著者之一、剑桥应用数学和理论物理系博士研究生大卫·杰罗萨说，“用引力波作为观测工具，可以了解数十亿年前黑洞发射这些波的特点，如质量和质量比率的信息，这些都是充分了解宇宙特性及进化的重要数据。”

据悉，今年晚些时候，当美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）升级和欧洲Virgo实验天文台完工时，它们将首次揭示隐匿的引力波。这些观测将不仅仅证明引力波的存在，还将提供有关产生引力波的罕见信息。与此同时，“丽莎”探路者的使命就是为将在空间建立一个具有较高灵敏度的引力波探测器进行测试。

该论文合著者之一、剑桥中心理论宇宙学成员乌尔里希博士说：“我们解决的方程式将有助于预测LIGO看到双黑洞合并的引力波特性，我们期待将这个解决方案与LIGO搜集的数据进行比较。”

研究人员解开的方程式，有助于专门解释双黑洞的自旋角动量和被称为岁差的现象。研究人员解释说：“岁差现象，就像一个旋转的陀螺，随着时间黑洞双旋改变着方向，而这些黑洞自旋的行为就是理解其进化的一个关键部分。”

正如开普勒研究地球绕太阳的轨道运动和发现轨道可以是椭圆、抛物线或双曲线那样，研究人员发现，黑洞双旋根据其旋转性能，可以分为三个不同的阶段。此外，研究人员还导出有关方程式，将有助于精确跟踪这些从黑洞形成到合并的自旋相位，比以前的方法更快和更有效。

研究人员说：“采用这些解决方法，我们可以创建计算机模拟数十亿年来黑洞的演化，而以前一个需要几年模拟的现象，现在可以在几秒钟内完成。它不只是快，我们还可以从模拟结果中获得一些新的发现。”

引力波、方程式……这些将为人类带来对黑洞的新认知。现在，借助于引力波信号，人们就可以更好地解读宏大宇宙的奥秘。

美科学家提出探测引力波的新方案

据国外媒体报道，引力波是宇宙中一种神秘的能量，科学家已经发现引力波的来源主要是宇宙中恐怖的碰撞事件，比如黑洞合并、超新星事件等，这些宇宙级的天体行为能够产生强大的引力波。虽然大质量天体的碰撞、合并事件能够产生强大的引力波，但这些能量传递到地球时已经非常微弱，以至于我们需要极高精度的测量仪器才有可能探测引力波的信号，现在位于纽约自然历史博物馆天体物理学家提出了一种探测引力波的新方法，即通过观测恒星亮等的变化来寻找弥散在时空中的引力波。

阿尔伯特·爱因斯坦在广义相对论中提出了时空涟漪的概念，认为这样的涟漪如同海浪一样，也具有能量，其大小取决于产生涟漪物体的质量，质量越大的天体能够形成更强大的引力波，因此这样的引力波传递距离也比较远。在过去将近一个世纪的时间内，科学家们一直在寻找引力波的信号，但是到目前为止仍然没有直接探测到引力波的信号，研究人员只能寻找其他方法来提升激光探测装置的精度，由于引力波非常微弱，探测它的信号是非常困难的。

纽约自然历史博物馆的科学家Barry McKernan是本项研究的主要负责人，他认为强大引力波的产生前提是具有巨大的质量，如果恒星的振动频率与引力波相同，就可以吸收大量的能量，那么我们就能够探测到引力波的信号，这就像一架能够产生引力波的钢琴向外弥散出引力波，而一颗恒星附近存在相同振动频率的小提琴，两者之间会产生共振，并反馈到恒星的亮等上。天文学家如果发现恒星集群的亮等增加，那么就说明这里有强大的引力波通过。

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