星系碰撞产生引力波: 神的指引？|矮星系|天文台|引力波

　　星系碰撞后的引力波

　　一项新的研究揭露了我们是否能通过引力波探测到因微小星系碰撞而产生的黑洞合并。

　　通过激光干涉引力波天文台，我们发现，遥远宇宙中的黑洞，有时会以突然旋进和碰撞的方式相遇，并释放出地球上可以探测到的引力波。

　　但这些黑洞在其形成早期究竟发生了什么，会使它们在一个定点相遇呢？一项新的研究为该问题提供了一种可能的答案，即激光干涉引力波天文台所发现的黑洞属于微小星系，在星系发生碰撞之前，这些黑洞都曾位于星系中央。

　　通过模拟两个黑洞合并的图像，并从正面观察，激光干涉引力波天文台宣布，已探测到迄今为止十余起此类黑洞活动。

　　中央潜伏者

　　当两个相距遥远的黑洞发生合并时，通常会发生时空摆动。自发现首例该类现象以来，激光干涉引力波天文台已经准确探测到十起源于“黑洞-黑洞”碰撞的引力波，并称会在未来有更多发现。

　　但这些黑洞究竟是如何相遇的呢？一个由克里斯托弗·康塞利斯教授带领的科研团队提供了一幅图片，该图片展示了大部分我们所发现的星系中心黑洞。

　　该团队发现，低质量的矮星系含有中心黑洞，且其质量小于100个太阳质量。

　　这些微小星系的合并，最终会导致其中心黑洞的旋进与合并。这也许是激光干涉引力波天文台发现“黑洞-黑洞”碰撞的原因。

　　可行性测试

　　康塞利斯教授与其同事，将这一过程分解为多个步骤并进行测试。

　　黑洞质量与宿主星系恒星质量的关系被推广到低质量的星系。（黑色实线；蓝色虚线表示不确定）红线表示激光干涉引力波天文台检测到的黑洞质量。

　　1.你们能够正确计算出中央黑洞的质量吗?

　　我们已观测到星系质量与其中央黑洞质量存在关联。由此关联外推至低质量的情况，我们发现超矮星系中央黑洞的质量可小于一百倍的太阳质量，这与射线干涉引力波天文台(LIGO)所观察到的10-70倍太阳质量的黑洞是一致的。

　　2.这些超矮星系是否能以足够快的频率合并?

　　如今星系合并的频率比宇宙早期要低。宇宙学模型显示，现在星系合并的频率并不足以重现LIGO的观测结果。不过在红移量为z~1.5 或更高时，超矮星系合并的频率足以匹配LIGO测算到的引力波事件比率。

　　3.星系合并后黑洞是否会以足够快的速度碰撞?

　　根据LIGO观测结果，若星系合并的红移量为z>1.5，则中央黑洞会坠入合并星系之中，旋近，并在60-80亿年的时间尺度上相撞。这也适用于黑洞被星系中心的大质量星团包围的情况。

　　未来对宿主星系的探寻

　　孔赛里切(Conselice)及其合作者的计算表明，遥远宇宙中正在合并的超矮星系可能可以解释LIGO探测到的黑洞间的合并。

　　一例矮椭圆星系。最小的矮星系太过暗淡，无法利用当前科技在高红移量下观测。[欧洲南方天文台(ESO)/数字巡天2]

　　在未来，我们可以期待能通过更好地定位引力波事件宿主来验证此理论。如果我们发现所有黑洞碰撞都来自于亮度强，质量大的星系，那么超矮星系合并理论则被证伪。但是如果我们不能发现宿主星系，这可能是因为其为超矮星系，太小太暗，无法被观测到。引力波天文学领域才刚刚成熟，类似此研究的理论工作表明，我们在未来能够学到的东西还有很多。

　　参考文献

　　“LIGO/室女座事件源于超矮星系间的黑洞合并” Christopher J. Conselice等， 2020 ApJ890 8. doi:10.3847/1538-4357/ab5dad

　　引力波是时空曲率干扰，是由质量加速运动产生的，他们按光的速度从其源头以波的形式传播。在1905年，Henri Poincaré提议出这个，随后在1916年， Albert Einstein根据广义相对论预言。引力波以辐射的形式传播能量，能量辐射的形式跟电磁波相似。牛顿经典力学里的万有引力定律，不能证明引力波的存在，因为他的定律是在假设物理相互作用是在瞬间作用的（有无限的速度）前提下-说明用经典的物理模式不能解释这种现象与相对论之间的关系。