雙黑洞并合引力波

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　　摘要：2015年12月，通過LIGO探測器，LIGO-VIRGO首次觀測到了來自于兩個黑洞合并的引力波信號。2017年4月由全球8部EHT共同觀測而成的人類首張黑洞“照片”，經歷兩年的數據整理在4月10日晚面世。這對愛因斯坦的廣義相對論給予了進一步的支持。本文就宇宙中雙黑洞的探測與相關理論進行簡述，就引力波的產生機制進行一定的討論。
　　關鍵詞：雙黑洞；大質量黑洞；引力波
　　引言
　　廣義相對論是愛因斯坦在1915年提出的關于描述引力的幾何理論，其在目前作為牛頓引力理論的推廣，在天文學與天體物理學領域的研究中有著重要的作用。目前，隨著引力紅移及引力時間延遲實驗、引力波的探測、黑洞“照片”的面世等，廣義相對論的理論預言得到了相應的驗證與實驗支持。廣義相對論對黑洞的存在進行了預言，在奇性定理中，存在奇點于黑洞內部。黑洞在宇宙中是一種特殊的存在形式，由大質量恒星坍塌而成，其質量約太陽的65億倍。本次黑洞“照片”的問世，能夠幫助天文及天體物理領域的相關學者通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質量。而針對于宇宙中的雙黑洞系統觀測難度較高，由于雙黑洞系統距離較遠使得很難從宇宙中將這些雙黑洞系統分辨出來。
　　1 黑洞與引力波
　　1916年，德國卡爾通過求解愛因斯坦引力場方程，分析得到如果將空間中某一點點進行物質的高集中，即使得這一點具有極大的質量，則在這個點的周圍會存在一個界面，即視界。在視界之內，光也無法從中逃脫。而后，不少物理學家對此進行猜想與研究，而具有這種奇異的性質的天體被命名為黑洞。需要尤其注意的是，黑洞并不是可以直接觀測得到的，其存在一般由間接的形式來進行推斷以及質量的計算。其主要的特點就是密度無限大即，質量極其高而體積極其小，根據愛因斯坦的廣義相對論可以得到，恒星坍縮后聚為黑洞，而這個黑洞將會使得附近所有光線以及物質（信息）被吞噬。
　　引力波是時空彎曲中如同將一粒石子扔向湖面的“漣漪”，其是廣義相對論中洛侖茲不變性的結果。當宇宙中兩個致密星體碰撞并合時可產生引力波，其通過波的形式從輻射源向外進行傳播。2016年LIGO合作組織及Virgo合作團隊宣稱探測到來自雙黑洞合并的引力波信號。引力波描述的是時空曲率的振動在時空中的傳播，在廣義相對論中，時空曲率是用來描述引力物理量。根據廣義相對論的理論支持，對于黑洞被事件視界包圍的區域對于引力波而言，事件視界提供的是一個只進不出的邊界條件，即在雙黑洞合并之后，引力波將會迅速的衰減。
　　2 雙黑洞存在的直接與間接證據
　　宇宙中的雙黑洞系統一般可以根據距離大概分為四類：分別為星系團中的類星體對、相互作用活動星隊、“單個”星系中超大質量黑洞對以及空間不可分辨的雙超大質量黑洞后選體。最后一類雖然在空間距離上難以分辨，但是可以根據雙星的軌道運動所導致的X射線等出現的周期性或準周期性進行判斷。對于宇宙中可空間分辨的雙黑洞系統，通過對塵埃溫度以及CO分子測量等可以得到較高分辨率的圖像以及各成分的相應的譜能量分布，例如對于HXMM01極亮亞毫米星系的測量，并通過擬合發現兩個并合星系的質量分布，但HXMM01只是相互作用星系的典型代表，并不是一個處于引力束縛態的雙黑洞系統。但宇宙中大量的相互作用的星系，為雙黑洞星系的存在提供了相應的支持。2001年哈勃望遠鏡對于LBQS 0103-2573進行紫外譜觀測，并發現沿著潮汐弧及存在恒星形成的區雙活動星系中都存在著寬發射線。隨后，NGC 6240星爆星系通過錢德拉X射線望遠鏡的觀測，被發現星系中心存在著X射線核，這表明了兩個超大質量黑洞的吸積。而VLBI觀測并最終確定發現射電星系0402+379/4C+37.11的中心兩個致密的成分是兩個超大質量黑洞。
　　而對于目前觀測雙黑洞的間接證據主要通過雙黑洞進動對于星系核的形態的影響、準周期性光變、譜線雙峰結構等進行間接觀測。
　　3 LIGO探測器及探測結果
　　LIGO作為世界上最大的引力波探測器，它同時也是最精密的物理裝置之一。其主要由兩個干涉儀組成，每一個都帶有四千米長的臂，無論在光學方面還是在機械方面，其技術特點都是相當先進的。在遠離方面，其主要就是通過光與空間本身的物理性質進行引力波的探測。兩條相互垂直的干涉臂在引力波的探測中起著至關重要的作用。引力波的經過會使得時空的伸縮讓兩個臂長長度出現變化，此時，兩條分別在兩臂的激光束相位出現差而產生了干涉條紋，LIGO想要測出如此之小的變化則需要極高的靈敏度。同時，在對引力波進行探測中，環境對于探測的影響需要被考慮，探測器需要區分引力波源的信號和來自儀器噪聲的信號，而兩個高新LIGO探測器的設置便是為了能夠確定引力波信號而不是環境帶來的干擾信號。，同時通過對于激光功率的提高、循環腔的再設計等等對儀器的靈敏度進行進一步提升。
　　2016年升級后的美國激光干涉引力波天文臺宣稱首次探測到引力波，同時推測探測到的引力波源GW150914是位于紅移z=0.09+0.04-0.03處的兩個黑洞的合并，其中得到的數據結果與根據廣義相對論原理構建的雙黑洞合并釋放引力波波形模式有著很高程度的吻合，這一發現進一步對廣義相對論提供了實踐的支持。
　　4 展望
　　隨著對于黑洞的不斷探測、探測結果的不斷涌現，在2016年直接探測到引力波載入史冊后而今的黑洞“照片”的又一次問世，都表明著天文及天體物理領域中黑洞在逐漸地從神秘走進我們。但是在許多探測數據中，我們仍然能夠發現其中細節方面的此測量等存在提升的空間，而這一空間也需要技術與理論的進步來推動。未知天體的探測總是讓人期待，而引力波天文學的時代已經開始。
　　參考文獻
　　[1]Kaspi S，Smith P S，Netzer H，et al.Reverberation measurements for 17 quasars and the size-mass-luminosity relations in active galactic nuclei.Astrophys J，2000，533：631–649
　　[2]Laor A.On quasar masses and quasar host galaxies.Astrophys J Lett，1998，505：L83–L86
　　[3]Gong X，Xu S，Bai S，et al.A scientific case study of an advanced LISA mission.Classical Quantum Gravity，2011，28：094012
　　[4]Xu S N，Yuan Y F，Hao J M，et al.The mass ratio distribution of MBH binaries in the hierarchical model.Res Astron Astrophys，2015，15：773
　　[5]Abbott B P，Abbott R，Abbott T D，et al.GW150914：First results from the search for binary black hole coalescence with Advanced LIGO.PhysRev D，2016，93：122003，arXiv：1602.03839
　　[6]Abbott B P，Abbott R，Abbott T D，et al.GW170608：Observation of a 19 solar-mass binary black hole coalescence.Astrophys J，2017，851：L35，arXiv：1711.05578.
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