两个黑洞相撞，会发生什么？听听神秘的声音
文章介绍了天文学家首次发现了两个质量有明显差异的黑洞的碰撞 ， 基于这以现象产生了较弱的引力波频率 。 科学家们正努力地解决这一现象出现的原因 。
就在一年前左右 ， 2019年4月12日 ， 激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）合作组织探测到了引力波 ， 该引力波来自24亿光年外的两个黑洞的史诗级碰撞 。 令人惊叹的是 ， 到现在为止其本身并没有任何异常 。
但正如天文学家所言 ， 实际上我们先前从未见过GW190412这样的碰撞 。 GW190412并不是由两个质量为太阳20到40倍且大致相等的黑洞碰撞产生 ， 而是由一个内部质量相差极大的黑洞双星产生的 。
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图解：目前检测到的其它黑洞碰撞事件 ， 两个天体的质量大致相同（图源：LIGO）
根据对这些引力波的分析 ， 天文学家发现 ， 其中一个黑洞的质量约为太阳质量的29.7倍 ， 而另一个则小得多 ， 质量仅有该黑洞的三分之一 ， 约为8.4个太阳的质量 。 这也是迄今为止探测到的质量最小的黑洞双星——这令人们无比兴奋 ， 因为这意味着这一双星合并产生的信号 ， 比其他黑洞合并产生的信号要长——也就是说有丰富的数据等着人们去探测 。
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图解：两个质量不相等的黑洞引力波的想象图（图源：LIGO）
“黑洞本身并没有带给我们太多惊喜 。 我们知道有这些大小的黑洞存在 ， 但是我们的新收获在于它们的质量比” ， 美国西北大学的天文学家克里斯托弗·贝里（ChristopherBerry）和LIGO科学合作组织在一篇博文中解释道 。
“这一观测使得我们用一种新的方式去测试我们对引力波信号的预测是否正确 ， 同时这也是理解黑洞双星如何形成的重要部分 。 ”
LIGO-Virgo合作组织在美国物理学会4月份的虚拟会议上发表了研究成果 。
引力波信号反映出 ， 其他引力波都是由质量大致相等的黑洞双星产生的 。 由于黑洞的质量大致相等 ， 在各轨道上二者会返回到相同的相对位置 。
这导致引力波频率大约是双星系统轨道频率的两倍 ， 这一频率即黑洞环绕彼此运动的周期时间长短 。 但是双星系统内部二者质量相差较大时 ， 轨道是不平衡的 ， 这就产生了第二个较弱的引力波频率 。
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图解：质量不对称和轨道进动的黑洞二星合并的数值模拟静止图像（图源：LIGO）
在GW190412中人们就观察到了这一现象 ， GW190412产生了两个不同的频率（黑洞在合并过程中会产生一系列“嗡嗡声”） ， 就像两根吉他弦同时震动一样 ， 是频率的组合体 。
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图解：LIGO-Virgo探测的GW190412时间频率图 。 从上到下分别为LIGOHanford、LIGOLivingston和Virgo 。 LIGO的两台探测器得到的双星“嗡嗡”声更清晰 ， 其中Livingston获得的信号最大
（图源：gw-openscience）
令人惊讶的是 ， 这两个频率相当于相隔五个音符 ， 也就是所谓的一个纯五度音程 。 当你唱"一闪一闪 ， 亮晶晶"时 ， 第一个“一闪”就构成了这个音程 。
研究小组对这些频率进行了另一个基于广义相对论的测试 。 基本上他们把引力波分为前后两部分 ， 并用广义相对论的方程来计算得出信号的另一部分 。
前后两部分与计算结果相吻合 ， 产生了迄今为止这项研究中最可靠的结果 。
基于合并后产生的不寻常信号 ， 研究小组还能进行更多测量 。 他们能够确定较大的黑洞正在自转——这通常非常难测量 ， 之前也仅在两个其他黑洞的合并中暂时出现过 。
在GW190412中 ， 这种自转似乎相当快 。 这可能是一个线索 ， 来说明这样一个不均匀的双星是怎么形成的 。 黑洞双星的形成有几种天体物理学模型 ， 但大多数模型都是等质量对 。
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图解：两个相互环绕的黑洞模型（图源：scitchdaily）
最公认模型的是一种双星系统 ， 其中每一颗恒星都会坍缩成一个黑洞 。 然而 ， 人们认为这不可能产生质量差距较大的黑洞双星 ， 于是GW190412由此产生的可能性就被排除了 。
有可能这些黑洞是独立产生的 ， 然后以某种方式聚集在一起 ， 在轨道上相互吸引 。 但高速自转的较大黑洞表明 ， 在GW190412形成之前 ， 该黑洞可能已经与其他黑洞合并在一起了 。
如果这些黑洞是在三星或者四星系统中 ， 那么可能较大的黑洞已经与其他黑洞进行了合并 。 若它们只是漂浮在常规空间中 ， 合并后的反冲力会扰乱这个系统——但如果是处在星系中央超大质量黑洞周围的圆盘中 ， 那么合并是可行的 。
在那里 ， 极端引力环境可以让与恒星相同质量的黑洞连续几次合并 ， 而不会被反冲力踢走 。
现阶段还无法确定这一推测是否正确 ， 但随着LIGO-Virgo合作组织每隔几天就会进行一次探测 ， 我们可能不会等太久就能得到答案 。
此外 ， 黑洞双星并非GW190412中的唯一巧合 。 这两个黑洞之间的质量之比"大致相当于在一个夹心增量奥利奥（MegaStufOreo）中填入一个普通奥利奥的比例 ， "贝里指出 ， “我们正在调查奥利奥和黑洞形成之间联系 。 “
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图解：各种各样的奥利奥（图源：smartcanuscks）
你可以在LIGO网站上阅读该团队的完整论文 。
作者:MICHELLESTARR
FY:JuJunia
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