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双黑洞可以解锁爱因斯坦的另一个预测

 安喜的空间 2022-02-03
在宏伟的计划中,黑洞的结构非常简单。你只需要知道它的质量、电荷和旋转,你就知道黑洞周围的时空结构必须是什么。但是,如果你有两个相互环绕的黑洞,那么事情就会变得非常复杂。与对爱因斯坦方程有精确解的单个黑洞不同,对于两个黑洞没有精确解。这类似于牛顿引力中的三体问题。但这并不意味着天文学家无法弄清楚,正如最近的几项研究表明的那样。
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尽管爱因斯坦的方程没有一个二元黑洞系统的精确解,但方程预测了二元黑洞的某些方面。其中之一被称为自旋轨道共振。当黑洞旋转时,它周围的空间结构会在旋转方向上发生扭曲,称为框架拖动。当两个黑洞相互靠近时,每个黑洞的框架拖动都会影响另一个黑洞的自转。结果,两个黑洞将倾向于进入共振,其中旋转以相同的方式(平行)或相反(反平行)对齐。如果自旋轨道共振是真实的,那么二元对应该倾向于具有这些方向之一。
最近的一项研究表明这是真的。在其中,该团队查看了来自已知黑洞合并的引力波数据,发现它们的旋转往往是平行或反平行的。鉴于样本量小,以及黑洞二进制旋转从未完全对齐的事实,没有足够的数据来证实这种影响,但我们有指向那个方向的数据。
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显示黑洞旋转如何影响轨道物体的模拟。图片来源:来自维基百科
测量黑洞自旋的挑战之一是信号相当微弱。我们从遥远的黑洞合并中测量到的引力波是如此微弱,以至于很容易迷失在噪音中。LIGO 和 Virgo 等天文台需要进行极其敏感的测量,其数据必须通过计算机模型进行过滤。它结合了数据处理和计算机模拟,使合并可以检测到。在混合中添加旋转会使事情变得更加困难。
但在第二篇论文中,该团队研究了我们如何才能获得更好的结果。他们发现,当它们即将合并时,自旋共振的信号最强。这是有道理的,因为那是它们最靠近并且帧拖动最强的时候。但目前,双黑洞的旋转信息是通过在它们仍在相互绕行时观察引力波来发现的。该团队展示了模型如何改为分析接近合并的信号,从而获得更好的结果。通过将这种新方法应用于黑洞合并,他们应该能够在不久的将来确认自旋轨道共振。
引力波天文学仍然是一个新领域,我们仍在学习如何捕获和分析数据。正如这些新研究表明的那样,引力波包含大量信息,通过一些挖掘,我们可以发现更多信息。

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