大学公园,爸爸。美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台(LIGO)已经探测到来自可能是迄今为止观测到的最大规模黑洞合并的引力波。由极端的天体物理现象产生的这些混响向外扩散并动摇时空的结构。这次合并的结果是首次清晰地发现了一个“中等质量”黑洞，其质量在太阳的100到1000倍之间。
包括宾夕法尼亚州立大学科学家在内的研究小组于2019年5月21日用美国的一对相同的4公里长干涉仪LIGO探测到标记为GW190521的信号;意大利的3公里长的探测器Virgo。
探测器所看到的信号大约是四次短暂的摆动，持续时间极短，不到十分之一秒。据研究人员所知，GW190521是由一个距离地球约50亿秒、约170亿光年的源产生的，当时的宇宙年龄约为其年龄的一半，这使它成为迄今为止探测到的距离最远的引力波源之一。
至于是什么产生了这个信号，基于一套强大的先进的计算和建模工具，科学家们认为GW190521很可能是由具有不寻常性质的双星黑洞合并产生的。
“超大质量黑洞双星在数据中留下的信号非常短，”美国宾州州立大学研究生、LIGO团队成员瑞安·马吉(Ryan Magee)说。“不幸的是，这使得区分短期噪声瞬变或故障和引力波候选者变得困难。”
到目前为止，每一个确认的引力波信号都来自于两个黑洞或两个中子星的双星合并。这次最新的合并似乎是迄今为止最大规模的，其中两个黑洞的质量分别是太阳的85倍和66倍。
LIGO-Virgo团队还测量了每个黑洞的自旋，发现当这些黑洞越来越靠近的时候，它们可能绕着自己的轴线旋转，其角度与它们的轨道轴线不一致。当两个歌利亚螺旋形地向对方靠近时，黑洞不对称的自旋很可能导致它们的轨道摆动，或称“进动”。
新的信号可能代表了两个黑洞合并的瞬间。这次合并创造了一个质量更大的黑洞，大约有142个太阳质量，并释放出相当于8个太阳质量的巨大能量，以引力波的形式扩散到整个宇宙。
法国国家科学研究中心(CNRS)的研究员、室女座成员尼尔森·克里斯坦森(Nelson Christensen)说:“这看起来不太像啾啾声，而这正是我们通常能探测到的。”他将这一信号与LIGO在2015年首次探测到的引力波进行了比较。“这更像是‘砰’的一声，这是LIGO和室女座观测到的最大的信号。”
国际科学家小组,组成LIGO科学合作(LSC)和处女座协作,报告他们的研究结果发表的两篇论文中今天(9月2日),出现在物理评论快报,发现细节,和其他在《天体物理学杂志通讯》上,讨论了信号的物理特性和天体物理学的影响。
LIGO和室女座观测到了它们迄今为止最大的黑洞合并，这一事件被称为GW190521，最终产生了一个质量相当于142个太阳的黑洞。这张图将这次事件与LIGO和室女座观测到的其他事件进行了比较，并指出GW190521合并的残余部分属于所谓的中等质量黑洞——这是第一次对这种类型的黑洞进行清晰的探测。
在质隙中
这两个喷射黑洞的独特的巨大质量，以及最后一个黑洞，提出了关于它们的形成的一系列问题。
到目前为止，所有观测到的黑洞都属于两种类型:恒星质量的黑洞，其质量从几个太阳到几十个太阳，被认为是在大质量恒星死亡时形成的;或者超大质量黑洞，比如银河系中心的那个，质量从几十万倍到几十亿倍太阳。然而，由GW190521合并产生的最后一个太阳质量为142倍的黑洞位于恒星质量和超大质量黑洞之间的中等质量范围内——这是迄今为止第一个被探测到的此类黑洞。
产生最终黑洞的两个原始黑洞在大小上似乎也是独一无二的。它们的质量如此之大，以至于科学家们怀疑它们中的一个或两个可能不像大多数恒星质量的黑洞那样是由坍缩的恒星形成的。
根据恒星演化的物理学原理，一颗坍缩的恒星不可能产生一个质量在65到120倍太阳质量之间的黑洞——这个范围被称为“双不稳定质量差”。
“190521特别令人兴奋，因为它开始挑战一些恒星演化的传统模型，”马吉说。“两个黑洞中较重的那个是85倍太阳质量，正好位于双不稳定质量差的中间。目前还不清楚黑洞是如何形成的。”
研究人员在第二篇论文中考虑的一种可能性是分层合并，即两个前身黑洞本身可能是由两个较小黑洞合并而成，然后迁移到一起并最终合并。
这个艺术家的概念说明了一个分层方案合并黑洞。LIGO和室女座最近观测到一个黑洞合并，其最终质量是太阳的142倍，这是迄今为止观测到的最大的引力波黑洞。这一事件被认为发生在两个质量分别为66和85太阳质量的黑洞螺旋状地相互碰撞并合并的时候。理论模型表明，自然界不太可能形成这么重的黑洞;具体来说，模型确定了一个质量在65到120太阳质量之间的范围，称为“双不稳定质量差距”，在这个范围内，人们认为坍缩的恒星不能形成黑洞。那么，LIGO和室女座观测到的两个合并黑洞是如何产生的呢?科学家们认为这些黑洞本身可能是由两个更小的黑洞早期合并而形成的，如图所示。
一些意想不到的
关于GW190521还有很多问题。
当LIGO和室女座探测器侦听穿过地球的引力波时，自动搜索会梳理传入的数据，寻找有趣的信号。这些搜索可以使用两种不同的方法:在数据中找出可能由紧凑二进制系统产生的特定波型的算法;以及更普遍的“突发”搜索，即寻找任何不寻常的东西。
宾夕法尼亚州立大学的LIGO小组使用一种名为“GstLAL”的搜索算法帮助检测出了GW190521，该算法将原始数据与一组模板波型交叉关联。该算法由宾夕法尼亚州立大学的研究小组协助开发，当匹配重要且超过指定阈值时，该算法会“挑出”引力波。
在GW190521的例子中，一次突然的搜索更清晰地捕捉到了这个信号，这开启了引力波不是由二进制合并而产生的可能性很小的可能性。然而，在描述这一发现的论文中包含的一项仿真研究表明，尽管GW190521是引力波信号的一个极端例子，但目前的GstLAL算法能够检测类似的信号。
在他们的论文中，科学家们简要地考虑了宇宙中可能产生他们探测到的信号的其他来源。例如，也许引力波是由我们星系中的一颗坍缩的恒星发出的。这个信号也可能来自宇宙膨胀初期产生的宇宙弦——尽管这两种奇异的可能性都不像二进制合并那样符合数据。
“中间质量的黑洞被怀疑是‘缺失的一环’，或者是普通恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间的中间环节，”宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员、LIGO团队成员Debnandini Mukherjee说。“这样的观测可以帮助我们更多地了解这些黑洞的形成方法，并解决其他类似的天体物理难题。”
除了Magee和Mukherjee，宾夕法尼亚州立大学的LIGO团队还包括Bangalore S. Sathyaprakash和Chad Hanna。这项研究是由美国国家科学基金会资助的。
关于引力波天文台的补充信息:
LIGO由美国国家科学基金会资助，由加州理工学院和麻省理工学院运营，这两个学院构想了LIGO并领导了这个项目。美国国家科学基金会和德国(马克斯·普朗克协会)、英国(科学技术设施理事会)和澳大利亚(澳大利亚研究理事会- ozgrav)共同为先进LIGO项目提供了资金支持，并对该项目做出了重大承诺和贡献。来自世界各地的大约1300名科学家通过LIGO科学合作项目参与了这项工作，其中包括地球观测合作项目。还提供了其他合作伙伴的列表。
Virgo合作组织目前由来自11个不同国家的99个研究所的大约520名成员组成，这些国家包括比利时、法国、德国、匈牙利、意大利、荷兰、波兰和西班牙。欧洲重力观测台(EGO)在意大利比萨附近安装了室女座探测器，由法国国家科学研究中心(CNRS)、意大利国家核子研究中心(INFN)和荷兰Nikhef资助。处女座协作小组的列表是可用的。更多信息可以在处女座网站上找到。
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