【傳了 70 億年的重力波】科學家觀測到史上最大規模黑洞合併,首次發現「中等質量黑洞」!

Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery

浩瀚神秘的宇宙始終是天文學家持續關注研究的主角,日前他們發現了有史以來規模最大的黑洞融合事件,兩個黑洞撞在一起了。

兩大黑洞合併!

這場天文秀起源於 70 億年前發生的撞擊(沒錯!直到現在我們才觀察到這些跡象),主角是兩個神奇的黑洞,一個黑洞的黑洞重力約是 66 個太陽質量(Solar Mass,1 個太陽質量大約是 1 個太陽的重力),另一個則有 85 個太陽質量。

當這兩個黑洞靠得很近時,每秒以超高速旋轉,最後在劇烈的能量碰撞下合而為一,成了一個黑洞重力為 142 個太陽質量的中型黑洞,並向整個宇宙發出衝擊波(shockwaves)。

中型黑洞躲在哪?

這起事件對天文學家而言,是一個很重大的發現。

因為在這之前,科學家們大致僅能分辨兩種黑洞,一種是小型黑洞,黑洞重力大約是 5 到 100 個太陽質量,另一種則非常極端,稱為超級黑洞,它們處於銀河系的中心,約有百萬到十億個太陽質量。

多年以來,科學家一直試圖找出黑洞重力大小介於這兩類黑洞之間的「中等質量黑洞」(Intermediate-mass black hole),其黑洞重力大約是 100 到 1000 個太陽質量;科學家會這麼積極探究,其中一個說明理論是因為他們認為超級黑洞是由小型黑洞不斷合併,變成中型黑洞,最後才會變成超級黑洞。

如果是這樣的話,宇宙中的某個地方肯定存在中型大小的黑洞!

因此,這次偵測到這個中等質量的黑洞對於解釋宇宙為何如此運轉以及宇宙的生成有了更清楚的說明。

好久!過了 70 億年才觀測到

那是怎麼偵測到的呢?

根據《The Verge》報導,當類似黑洞的超能量物體撞擊融合時,空間和時間都會被扭曲,並在宇宙的空間裡產生漣漪,以光速向外傳播。這些漣漪被稱為重力波,產生時的能量相當大,只不過通常抵達地球時,它們已經變得微弱到難以察覺。

幸虧有了位於美國和義大利的觀測站(LIGO 和 Virgo——專門設計用來檢測劇變事件產生的波)的幫助,科學家越來越能觀測到這些微小的重力波。

這次的黑洞撞擊融合事件被稱為「GW190521」,距離觀測站大約有 53 億秒差距,是 LIGO 和 Virgo 目前偵測到最遙遠的黑洞合併,他們撞擊產生的重力波花了 70 億年的時間才傳到地球。

然而,傳遞到地球的波非常微弱,LIGO 和 Virgo 的科學家僅從探測器中取得四個小波,且波持續時間僅有十分之一秒;在過程中,科學家使用了四種不同的演算法來分辨波的擺動,花費了不少時間才讓他們確定黑洞合併的質量與釋放的能量。

發現罕見的天文現象,台灣團隊參與其中

麻省理工學院 LIGO 實驗室研究重力波的助理教授薩爾瓦托‧維塔萊(Salvatore Vitale)說:「在碰撞過程中,約太陽質量七倍的大小已被摧毀,並轉換成能量消散在宇宙中。」

由於偵測到的波量很微小,LIGO 和 Virgo 的科學家曾懷疑,會不會實際上根本沒有大規模黑洞合併的可能性,他們只是從坍塌的恆星或其他怪異現象中偵測到波?但是他們最終還是認為「黑洞合併」是最符合這個現象的解釋。

科學家會花費了那麼久的時間才認定是「黑洞合併」,Vitale 說明因為大約要觀測到 500 多次的小規模黑洞融合,才有機會看到像這次這麼大規模的碰撞,相當罕見。

這次的黑洞合併事件立下 2 大里程碑:第一,天文學家第一次握有清晰的中等質量黑洞重力波數據、第二,發現質量介於「灰色地帶」的黑洞;在國際期刊《Physical Review Letters》和《The Astrophysical Journal Letters》中有非常詳細的說明,其中台灣科技部、清大皆有參與相關偵測研究過程。

參考資料

The Verge》、《Nature》、《中央社

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery。)

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