天文|要找到巨大的黑洞，得从太阳系的中心开始
范德比尔特大学的一项新研究表明 ， 想找到巨大的黑洞 ， 就需要测量它们的引力波对脉冲星发出的光束的影响 。 而做这件事的绝佳地点便是太阳系 。
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艺术家的脉冲星阵列概念被用于寻找质量是太阳数十亿倍的黑洞 。 最好的起点在哪？利用太阳系的引力中心是其中一个想法 。 图源：David Champion/ 范德比尔特大学.
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黑洞是引力如此巨大以至于光无法逃脱的地方 。 黑洞周围的时空是扭曲的 。 近几十年来 ， 天文学家们开始相信最大的黑洞——超大质量的黑洞——位于大多数星系的中心 。 每一个都是太阳质量的数百万倍或数十亿倍 。 但许多超大质量黑洞仍未被发现 。 科学家如何找到它们?引力波是一种时空的涟漪 ， 早在阿尔伯特·爱因斯坦的时候就已经形成了理论 ， 但直到2015年才被观测到 。 天文学家现在说 ， 我们可以通过观察超大质量黑洞的引力波对脉冲星闪光的时间的影响来发现它们 。 这些科学家说 ， 在进行这项研究的同时 ， 他们也提高了我们对太阳系引力中心--或重心--的认识 。
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这项新研究是范德堡大学的物理学助理教授史蒂芬·泰勒和北美纳赫兹引力波观测站(NANOGrav)合作完成的 。 泰勒在一份声明中解释道:
利用我们在银河系中观测到的脉冲星 ， 我们试图像一只蜘蛛一样静坐在蛛网的中央 。 我们对太阳系重心的了解程度是至关重要的 ， 因为我们试图感知哪怕是蛛网上最小的刺激 。
范德堡大学于2020年6月30日公布了这项发现超大质量黑洞的新技术 。
详细介绍他们的发现的论文已经过同行评议并发表在去年4月21日的《天体物理学杂志》上 。
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引力波——时空中的涟漪——可以由一对围绕彼此旋转的黑洞产生 。 为了找到这些波纹 ， 泰勒和他的同事们测量了脉冲星有规律的闪光 ， 脉冲星是高速旋转的中子星 ， 会发出光束 ， 就像一个宇宙灯塔 。 研究人员正在利用NANOGrav数据寻找这些闪光到达率的变化 。 就像时钟精确地计时一样 ， 脉冲星以一种极其有规律的方式发出它们的闪光(这就是为什么最初被发现时 ， 人们认为它们可能是来自外星人的人工信号) 。 因此 ， 脉冲星规律的闪光稍有偏差 ， 就可能表明引力波的通过 。
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根据这项新研究 ， 太阳系引力中心——质心——的准确位置并不是在太阳的中心 ， 而是在太阳表面上方约330英尺(100米)的地方 。 图片来自Tonia Klein/ 北美纳赫兹引力波天文台物理前沿中心/ 范德堡大学大学 。
在报道中 ， 泰勒说 ， 找到太阳系质心的确切位置 ， 有助于寻找超大质量黑洞的引力波 。 那么 ， 太阳系的质心到底在哪呢？也许可以类比我们所熟悉的地月系——在地月系中 ， 月球并不围绕地球中心运行 。
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相反 ， 在地月系中 ， 地球和月球围绕着它们共同的质心运行 。 地月系的质心在地球内部 ， 而并非位于地球中心 。 地月系的质心距离地球中心大约4671公里（=2902英里） ， 即位于地球中心到其表面约75%的位置 。
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同样 ， 太阳系的质心也不在太阳的中心 。 事实上 ， 最新研究表明 ， 太阳系的质心接近太阳表面 ， 在太阳表面上方约100米（=330英尺）的位置 。 科学家们称这个点为“太阳系绝对静止的位置” 。
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所以 ， 找到太阳系质心的确切位置 ， 有助于科学家测量由引力波通过而引起的脉冲星闪光中及其细微但可测量的变化 。 利用来自Doppler tracking的数据 ， 质心位置之前已经被预估出来了 。 估算结果可以提供物体绕太阳运行时的位置和轨迹 。 但这可能导致错误和不一致的结果 ， 显示引力波并不存在 。 合作作者乔·西蒙（Joe Simon）说到：
“问题是 ， 质量和轨道上的误差会转化为脉冲计时的伪影 ， 很可能看起来像引力波 。 ”
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由两个相互环绕的黑洞产生的引力波的图像描述 。 图源LIGO/ T. Pyle/ Science
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一个特殊黑洞系统的艺术概念图 。 其中2个小黑洞在环绕第3个超大质量的黑洞的圆盘中合并 。 为找到质量最大的黑洞 ， 研究人员正在测量受到引力波影响的脉冲星闪光时间 。
首席作者Michele Vallisneri补充道：
在对太阳系模型进行引力波搜索时并没有发现什么重要的东西 ， 但是我们在计算中发现了巨大的系统性差异 。 通常来说 ， 更多的数据会带来更精确的结果 ， 但是我们的计算中总会存在偏差 。
那么研究人员该怎样解释之前的误差和不一致性 ， 并提高引力波探测的准确性呢？他们决定换一种不同的方法 ， 同时寻找引力波和太阳系的确切的引力中心 。 这个方法成功了 。 他们甚至能够将太阳系引力中心精确地定位到100米范围以内！太阳系精确地引力中心并不像人们推测的那样在太阳的中心 。 该报道称 ， 它实际上距太阳表面约330英尺 。 这种差异是由于太阳系最大行星—木星的巨大质量的影响 。 Taylor说：
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我们对分散在整个星系中脉冲星的精确观测 ， 让我们能够比以往更加精确地定位我们自己在宇宙中的位置 。 通过寻找引力波的方法 ， 以及其他的实验 ， 我们对宇宙中所有不同类型的黑洞有了更全面的了解 。
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【天文|要找到巨大的黑洞，得从太阳系的中心开始】范德堡大学的Stephen Taylor ， 该项新研究的合著者 。 图源：范德堡大学 。
就在几年前 ， 有报道称 ， 天文学家第一次观测到了黑洞合并发出的可见光 。 在这个系统中 ， 两个较小的黑洞在一个物质盘中进行合并 ， 该物质盘围绕着一个128亿光年之外的特大质量黑洞 。 这样的合并之前已经被它们产生的引力波所探测到 ， 但这是第一次观测到类似耀斑的可见光现象 。 光来自围绕着较大黑洞的气态物质盘 ， 而不是来自黑洞本身 。
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北美纳赫兹引力波天文台会继续收集更多脉冲星的时序数据 ， 天文学家相信这会引领我们发现更多特大质量黑洞 。
总结：新研究表明寻找最大质量黑洞的最好方法是测量太阳系精确引力中心的引力波 。
【天文|要找到巨大的黑洞，得从太阳系的中心开始】
作者：Paul Scott Anderson
FY：Astronomical volunteer team
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