相比较第一次的引力波源GW150924系统,上次的黑洞质量分别为29和36个太阳质量,合并之后的太阳质量大约为62个太阳质量,3个太阳质量被以引力能的形式释放出去。合并以后黑洞的自旋大约0.68。黑洞系统的距离大约是13亿光年。
除过之上的确认系统之外,还有一个疑似系统 LVT151012,因为它的置信度只有大约1.7sigma,所以很难判断是不是真正的信号。但是如果是真,那么它的黑洞质量将分别是23和13太阳质量,最后合并之后的质量是35个太阳质量,释放出1个太阳质量的引力波。合并以后黑洞的自旋大约是0.66。距离大约是32亿光年。
简单对比,我们可以看到两次确认系统的距离都非常的接近,但是质量确实差别很大。几乎包含了各个质量范围的黑洞。不过让我们很兴奋的是,在这次的发现中,合并之前的黑洞质量和我们在银河系中所看到的黑洞差不多。这从侧面告诉我们黑洞双星系统在我们宇宙中存在的普遍性。而这之前是从来没有被探测到的。同时也说明只要是探测器的灵敏度足够高,我们就可以探测到来自这些系统的引力波信号。
按照LIGO负责人在此新闻发布会中的说法,LIGO探测器目前只达到了计划灵敏度的40%,而在今年秋天的第二次科学运行之时,灵敏度将在现有基础上再提高15%到25%。所以到时LIGO将会看地更远,探测到更多的事件。另外一个好消息是到时VIRGO也会同时运行。VIRGO的性能和目前aLIGO相当,所以三个探测器联合观测,引力波源位置的精确度将会极大提高。
LIGO位置探测精确(左);LIGO和VIRGO的联合探测精度(右)。(LIGO新闻发布会)神奇的自旋门槛0.7?
当笔者注意到这三个系统的自旋值大约都在0.7的时候,产生了极端的好奇感。难道0.7是个神奇的数字,这难道是合并黑洞跨越不过去的门槛?对于笔者领导的黑洞团组而言,通过电磁方式,专门从事黑洞性质的测量,尤其是利用X射线的数据对黑洞的自旋做出测量。从目前测量得到的10多个黑洞黑洞自旋数据来看,单个黑洞的自旋值随机的分布在0(没有转动)到1(极端转动)之间。这似乎没有规律。而这些系统也和引力波所发现的双黑洞系统有差别,尽管都是双星系统,电磁方式研究的系统中,其中一个是黑洞,另外一个是正常的恒星。对这些电磁系统黑洞的进一步统计调查,发现了一个很有趣的现象。如果双星系统中恒星的质量比较大的时候(只要不比太阳质量低),黑洞的自转都很快,大约至少在0.8之上或者接近于最大值。
对于目前引力波探测到的双黑洞系统,那么可以想象它们的前身星质量都很大(通常要形成黑洞的话至少要25个太阳质量)。所以我们可以想象它们各自在最后形成黑洞的时候,各自的自旋也都很大(这的确有很大猜测的成分在里面,但是很遗憾的是,现有的引力波探测结果对于合并之前的自旋值很难限制)。尽管每个黑洞的自旋都有可能很大,那么怎么合并之后黑洞的自旋就会有这样的限制呢?
如果没有相对论数值计算结果的帮助,的确我们没有办法回答。所幸的是,相对论数值计算在过去几年的快速发展,让我们对此问题有了比较清楚的认识。在对双黑洞质量和自旋参数空间进行搜寻计算之后,发现即使黑洞的自旋达到极大值的时候,在两个黑洞合并的过程当中,最终的自旋最大值就在0.7附近。这可以说是一个后验的结果。简单的解释是,当黑洞的自旋值相对比较低的时候,黑洞会相对比较容易合并,最终产生的自旋也有可能并不是特别高。但是如果两个黑洞的自旋都是很大的时候,它们就会经历一个所谓的自旋持续(spin hangup)的过程,两个黑洞很难合并,在这持续的过程当中,大量的能量以引力波的形式辐射出去,当整体能量降到一定程度的时候,黑洞合并了,这是就是我们看到的所谓黑洞自旋门槛值,大约0.7。我们可以大胆的猜测,说不定双黑洞系统最后的自旋都差不多在这个最大值附近。
恒星级黑洞的天文学研究现状
黑洞通常被认为恒星生命的终点,它是我们宇宙间最为神秘的天体之一。记得在星际穿越的电影当中,黑洞的中心存在着一个可以看到过去未来的超立方体。这或许仅仅是导演诺兰的一个美好想象而已。不过在现实的世界中,物理学家霍金反复在说,黑洞的中心是通往另外一个宇宙和时空的入口。着是否是真的,我们目前还无法验证。因为黑洞内部的无法探测,所以对于黑洞的最深入研究还仅仅停留在黑洞的外部。
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