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兩個黑洞合併為何如此困難
2022-05-29 16:13:44 *
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作者 主題: 兩個黑洞合併為何如此困難  (閱讀 385 次)
peter
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« 於: 2018-08-10 12:26:41 »

兩個黑洞合併為何如此困難
https://sina.com.hk/news/article/20180810/0/5/2/%E5%85%A9%E5%80%8B%E9%BB%91%E6%B4%9E%E5%90%88%E4%BD%B5%E7%82%BA%E4%BD%95%E5%A6%82%E6%AD%A4%E5%9B%B0%E9%9B%A3-%E4%B9%9F%E8%A8%B1%E6%98%AF%E5%8B%95%E6%91%A9%E6%93%A6%E6%83%B9%E7%9A%84%E7%A6%8D-9115994.html

麻煩就出在這裏。物理學家運行模擬時,兩個正在合併的星系中央的黑洞竟然卡住了。黑洞極少會正面相撞。由於它們相遇時的路徑不同,受角動量守恒的影響,它們會旋轉著靠近對方。受彼此的引力吸引,兩個黑洞會越挨越近,直到之間僅剩1秒差距(秒差距:天文學單位,約合3光年),二者卻又像羞澀的戀人一樣,不肯再靠近一步了。

  為何會這樣呢?歐文打了個比方:把你的手想像成其中一個黑洞。把手放在一桶水中,讓水旋轉起來,就像正在合併的星系物質一樣。水一開始會阻礙手的運動,迫使手的速度減慢。在太空中,這種引力作用名叫動摩擦,會降低黑洞的角動量,導致其逐漸向另一個黑洞移動。但過了一會兒,水的旋轉方向便會與你的手保持一致了,因此手受到的阻力也會減小。而在模擬的星系合併過程中,恒星和其它天體也會根據兩個黑洞的旋轉方向改變運動路徑。此時動摩擦逐漸減小,兩個黑洞也就在新軌道上穩定了下來,不會再改變位置。

  若物理學家對宇宙的形成過程理解無誤,這樣成對的黑洞最終應當會彼此相撞、融為一體才對。但要實現這一點,它們必須先設法減去足夠的能量,才能繼續靠近對方、跨過最後這1秒差距。一旦兩個黑洞靠得非常近之後(僅相隔幾十億公里,約0.001秒差距),根據廣義相對論,剩下的角動量便會隨著不斷加強的引力波逐漸消失,將兩個黑洞推到一起。這一過程可能會經曆幾小時、幾天、甚至幾年不等,具體取決於黑洞質量有多大。

  究竟是什麼力量推動了這一“致命擁抱”呢?這便是所謂的“最後的1秒差距問題”。解答該問題不僅是為了滿足我們的好奇心,還可改變我們對宇宙結構形成過程的理解、以及對引力本質的認識。因此在物理學家模擬黑洞運行的同時,天文學家也在觀察夜空,試圖找到黑洞解決“最後的1秒差距問題”的線索――假如它們真能解決的話。

  在過去的30年間,天文學家已經發現了數百個含有兩個超大黑洞的星系,且這些黑洞處在不同的合併階段。但即使是“最親密的”一對黑洞,彼此之間也隔了幾千秒差距。“要找到比這還近的黑洞就困難得多了。”加州理工學院計算科學家馬修・格雷厄姆(Matthew Graham)指出。就算是地球上最大的望遠鏡,也達不到這麼高的解像度。

  因此格雷厄姆和同事們決定走一條間接路線,利用閃爍的類星體光線進行觀測。脈衝星是巨大、古老的星系極為明亮的內核部分。物質圍繞星系中央的超大質量黑洞旋轉時,會逐漸累積成一個圓盤狀結構。這個圓盤的角動量會將其部分質量轉化為輻射,使星系發出耀眼的光芒。由於氣體和塵埃落入圓盤時並不連貫,類星體的光芒也會隨之變化不定。

  但2013年末,科學家卻發現了一個與眾不同的類星體。格雷厄姆和同事們利用“卡塔琳娜實時瞬變調查”10年來收集的數據,找到了一個奇特的信號來源,竟有著可以預測的變化規律。這個類星體名為PG 1302-102,距地球約35億光年。它似乎會穩定地變亮、再變暗,每隔五年半便重複一次,就好像有人在慢慢操控亮度控製開關一樣。
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