活久見!170億光年外兩個黑洞的碰撞,讓地球都為之顫動了0.1秒

2023-10-25     魅力科學君

原標題:活久見!170億光年外兩個黑洞的碰撞,讓地球都為之顫動了0.1秒

黑洞堪稱是宇宙中的饕餮巨獸,它們能夠吞噬已知宇宙中所有的物質,甚至連光都不例外,而當兩個黑洞相遇時,更是會在宇宙中製造出非常大的動靜,以至於即使隔著極為遙遠的距離,我們都可以探測得到,比如說科學家就曾發現,170億光年外兩個黑洞的碰撞,讓地球都為之顫動了0.1秒,可謂是活久見了。這具體是怎麼回事呢?下面我們就來了解一下。

黑洞的碰撞過程可以簡單地描述為:當兩個黑洞靠得足夠近時,它們會相互吸引,並開始圍繞彼此旋轉,同時會向外輻射出引力波,這些引力波會帶走一部分黑洞的能量和角動量,使得兩個黑洞之間的距離不斷縮小,隨著時間的推移,兩個黑洞會越來越近,旋轉速度也越來越快,並最終碰撞在一起,進而形成一個更大更重的黑洞。

這個過程可以分為三個階段:「旋進」、「合併」和「衰盪」,其中「旋進」階段是指兩個黑洞以橢圓軌道圍繞彼此旋轉,並逐漸變為圓形軌道;「合併」階段是指兩個黑洞接觸並形成一個單一的黑洞;「衰盪」階段是指新形成的黑洞逐漸趨於穩定的過程。

這三個階段都會釋放出引力波,其中的「合併」階段,其釋放出的引力波是劇烈的、爆發性的,並因此而更容易被探測到。實際上,此次發現的這兩個黑洞的碰撞,正是探測到了它們在「合併」階段的引力波,這也被稱為「GW190521」引力波事件。

「GW190521」最初由雷射干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉儀(Virgo interferometer)於2019年5月21日發現,後續的研究表明,此次引力波事件來自170億光年外兩個黑洞的碰撞,這兩個黑洞的質量分別約為太陽質量的85倍和66倍,在經過猛烈的碰撞之後,它們最終合併成了質量約為142倍太陽質量的黑洞。

那麼問題來了,這兩個黑洞的總質量是151倍太陽質量,為什麼新形成的黑洞會少了9倍太陽質量呢?答案就是:這些「少了的質量」其實都以引力波的形式作為能量被釋放了出來。

根據愛因斯坦提出的「質能方程」(E = mc^2),質量和能量只是物質的不同屬性,它們之間存在著確定的當量關係,我們可以簡單地將其理解為,在特定的情況下,質量和能量是可以互相轉化的。

需要知道的是,當質量轉化成能量時,其釋放出的能量其實比很多人想像中的更高,有多高呢?舉個例子,相信大家都聽說過廣島原子彈,它釋放出的能量其實就是來自於核裂變反應中損失的質量,而在整個核裂變過程中,它損失的質量卻只有0.9克左右。

然而太陽的質量高達1.989乘以10的30次方千克,而在此次黑洞碰撞中,居然有相當於9個太陽的質量都以引力波的形式作為能量被釋放了出來,據此我們完全可以想像出,此次事件釋放出的引力波,其能量有多麼巨大。

正是因為如此,我們才可以探測到此次事件,而當最強烈的引力波抵達之時,甚至連地球都為之顫動了0.1秒,但我們也不必為此感到擔心,因為隔著極為遙遠的距離,當引力波抵達地球時,已變得極為微弱,所以這種顫動也極為輕微,其幅度大約只有一個質子直徑的千分之一,只有用精密的儀器才可以探測得到,而地球本身當然也不會遭到什麼損傷。

值得一提的是,「170億光年」這個距離,其實是科學家根據描述宇宙膨脹的標準宇宙學計算出來的結果。

實際上,當這兩個黑洞發生碰撞時,其所在的位置其實距離我們更近,根據科學家的估算,當時它們與我們的距離大約是93.5億光年,但由於引力波是以光速傳播的,因此它們釋放出的引力波抵達地球需要漫長的時間,而在這段時間裡,它們合併後的黑洞會因為宇宙膨脹而不斷地遠離我們,以至於到了現在,它與我們的距離已經達到了大約170億光年。

如果把宇宙比作一片平靜而巨大的海洋,那這兩個黑洞的碰撞就好像是在這片海洋中扔進了一塊小石子,而它們釋放出的引力波就好像是這塊小石子激起的漣漪,這些漣漪不斷地向外擴散,並越來越微弱,在經過漫長的時間之後,它們中的一小部分終於抵達了地球,似乎在告訴我們,在很久很久之前,曾經有一塊小石頭被扔進了海洋……或許這就是宇宙的浪漫吧?

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/b57450c11f4fb1753e2a27dcc47f8cb3.html