科學家藉助引力波研究超大質量黑洞形成之謎(圖)


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引力波會扭曲時空,造成CSIRO Parkes射電望遠鏡接收到的脈衝星信號時間精確性出現偏差
 

【看中國2013年10月23日訊】據物理學家組織網站報導,關於超大質量黑洞,現在一般認為在每一個大型星系的核心部位都有存在,然而還有一個謎團需要解決,那就是這些黑洞是如何成長為如此巨大的?

在近日出版的《科學》雜誌上刊載了一篇文章,將現有有關這一問題的理論與實際觀測數據之間進行了比對。這些觀測主要是英聯邦工業與研究組織(CSIRO)的Parkes射電望遠鏡給出的引力波數據。該論文的合著者,澳大利亞科廷大學國際射電天文學數據節點中心的拉姆什·巴特(Ramesh Bhat)博士表示:「這是我們首次有機會運用引力波數據對宇宙的另外一面開展研究工作,那就是超大質量黑洞的成長。」他說:「黑洞幾乎無法進行直接的觀測,然而藉助一些強大的新型裝備,我們進入了令人興奮的天文學新時代。目前已經排除了一項現有的黑洞成長模型,而接下來我們將繼續對其他現有模型進行考察。」
 
這項研究的主要負責人有兩位,分別是來自CSIRO的博士後研究員拉楊·沙能(Ryan Shannon),以及墨爾本大學和CSIRO聯合培養的博士生維克拉姆·拉維(Vikram Ravi)。
 
愛因斯坦曾經預言了引力波的存在——這是一種時空的漣漪,由大質量天體的運動速度或方向發生變化時引發,這類天體中比較典型的如相互圍繞運轉的兩個黑洞等等。當星系之間發生合併,它們各自中央的黑洞也將不可避免地相互遭遇。起先兩者會像是跳華爾茲那樣相互圍繞運轉,而最終它們兩者將發生碰撞並融合。巴特博士表示:「當黑洞相遇,它們將會釋放出引力波,而我們將可以探測到這種引力波的存在。」
 
由於在宇宙各處發生著大量這類事件,因此這種引力波信號也就會在宇宙中到處傳播,形成一種引力波的背景噪音,就像是嘈雜的人群發出的聲音一樣。
 
天文學家們此前一直藉助Parkes射電望遠鏡開展針對引力波以及一組大約20顆小型但快速旋轉的天體,即脈衝星的搜尋和研究工作。脈衝星就像是走時極其精確的太空計時器。其脈衝抵達地球的時間被進行精確測量,結果顯示其精度在微秒級。當引力波在時空之中傳播,它會造成天體之間距離的短暫改變(膨脹或縮小),這就將影響到脈衝星的脈衝抵達地球的時間精度。
 
Parkes脈衝星計時陣列(PPTA),以及更早時期由CSIRO與斯威本大學在此之前已經積累了超過20年的數據。儘管這樣的積累時間還不足以對引力波開展細緻研究,但研究人員認為他們已經找對了方向。正如巴特博士表示:「PPTA的結果向我們展示了,引力波背景的噪音是很低的。」他說:「宇宙中引力波背景噪音的強弱直接反映了其中超大質量黑洞之間相互融合的頻繁程度,它們的質量規模,以及它們距離我們的遠近。因此如果探測顯示這種引力波的背景噪音很低,這將對這一問題的解答給出一些限定條件。」
 
藉助PPTA積累的數據,研究組對現有的4個模型進行了研究。他們的研究首先排除了其中的一項模型,該模型認為黑洞之間的相互合併是其獲得質量增長的唯一途徑。然而其他三項模型仍然需要之後開展進一步的研究。
 
巴特博士同時表示,由科廷大學領銜的默奇遜廣域陣列(MWA)射電望遠鏡也將被動員,支持PPTA項目未來的進一步研究工作。巴特博士表示:「MWA的寬廣視角將允許一次性觀測儘可能多的脈衝星,從而為PPTA項目補充珍貴的數據,並收集有關脈衝星及其性質的其它有趣信息。」

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