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宇宙引力波七種形成方式

2020 年 1 月 21 日 海浪同学

在廣義相對論裏,引力波是時空的漣漪。就好像當投擲石頭到池塘裏時,會在池塘表面産生漣漪,從石頭入水的位置向外傳播。

宇宙引力波七種形成方式

水波

引力波源簡介

引力波的産生,是因爲非對稱的運動造成了四極矩隨時間變化。籠統的說法是,只要一個系統在運動時輪廓變化了,就能夠生成引力波。

宇宙引力波七種形成方式

引力波——時空的波紋(示意圖)

例如,一支鉛筆的旋轉會否産生引力波,要看其旋轉軸:沿著鉛筆則無,垂直于鉛筆則有。另一個簡單的例子是啞鈴的旋轉。如果啞鈴的兩端好像兩個天體互相公轉(即旋轉軸垂直于連接啞鈴兩端的把手),它就會産生引力波。

那麽引力波形成方式有那麽些呢?如下

1、雙星系統

宇宙引力波七種形成方式

雙星系統繞質心運動的示意圖,在牛頓力學中這個軌道總是穩定的,但在相對論力學下引力輻射會造成軌道的緩慢

能夠輻射可觀測量級引力波的密近雙星系統包括白矮星、中子星和黑洞等致密恒星組成的雙星系統,例如黑洞雙星、黑洞-中子星、雙中子星、雙白矮星等等。

宇宙引力波七種形成方式

LIGO和LISA主要探測的波源頻域分布。橫軸爲頻率,縱軸爲引力波振幅

它們具有很大且隨時間變化的四極矩,對LIGO等地面探測器和空間探測器LISA而言都是重要的引力波源,也是至今唯一由間接觀測證實的引力波源(脈沖雙星系統PSR 1913+16)

引力輻射會使在旋近態中的雙星損失動能,造成其軌道以很緩慢的速度發生衰減,兩顆恒星逐漸接近

2、脈沖星

對于一顆獨立自轉的中子星(脈沖星)而言,要成爲引力波射源,其質量(或質量流)分布必須存在不對稱性

宇宙引力波七種形成方式

蟹狀星雲

蟹狀星雲,藍色部分爲錢德拉X射線天文台拍攝的X射線圖像,紅色部分爲可見光圖像,其星雲中心附近存在一顆年輕的脈沖星PSR J0534+2200,極有可能會被證實爲引力波源的天體之一。

3、引力坍縮和伽瑪射線暴

中子星的形成來源于超新星的引力坍縮,超新星內核的坍縮速率可達每秒七萬千米。這種引力坍縮並不是高度對稱的,這一點已經在對超新星SN 1987A的觀測中得到證實。

宇宙引力波七種形成方式

環繞1987 A的環圈和在中心來自超新星爆炸的環圈

SN 1987A是1987年2月24日在大麥哲倫雲內發現的一次超新星爆發,是自1604年開普勒超新星(SN 1604)以來觀測到的最明亮的超新星爆發,肉眼可見,位于蜘蛛星雲的外圍,距離地球大約51,400秒差距(約168,000光年)

這種引力坍縮會産生一種持續時間很短且無周期性的引力波突發信號,並伴隨電子捕獲和中微子輸運的過程。

4、恒星質量黑洞

天文學家現在認識到宇宙中存在數量豐富的黑洞,根據質量可分爲恒星質量黑洞和位于河外星系中心的超大質量黑洞。

這兩類黑洞的質量非常不同,因此它們的引力輻射的機制和頻率存在很大差別

  • 恒星質量黑洞一般具有10倍左右太陽質量,形成于紅巨星或超新星爆發時內部的引力坍縮
  • 大質量和超大質量黑洞的質量則在10*10*10*10*10至10*10*10*10*10*10*10*10*10*10倍太陽質量範圍內,其形成機制至今還不十分清楚
宇宙引力波七種形成方式

NASA超級計算機模擬得到的黑洞雙星開始合並的情形

黑洞雙星的自然頻率和其質量成反比。這表明恒星質量黑洞的引力波頻率在地面探測器的偵測範圍內,就能夠探測到引力波

5、星系合並

宇宙引力波七種形成方式

哈勃空間望遠鏡拍攝的雙天線星系,星系的碰撞很有可能導致其中心超大質量黑洞的合並

兩個特大質量黑洞的合並,就是恒星質量黑洞合並的加強版。由于參與的質量很大,其引力輻射的頻率很低,但振幅卻相當高。

6、極端質量比例旋

宇宙引力波七種形成方式

小質量致密天體與星系中心的大質量黑洞形成的EMRI是LISA重要的探測波源之一

特大質量黑洞與白矮星、中子星、恒星質量黑洞和中等質量黑洞等較小質量致密天體合並,這被稱作極端質量比例旋。當一個致密星體碰巧接近星系中心的超大質量黑洞時它有可能被俘獲,在圍繞著超大質量黑洞公轉的同時放出引力輻射,因此這也是一種旋近態。

7、大爆炸

引力波自誕生起在宇宙中的傳播至今就幾乎沒有衰減或散射,所以大爆炸能夠形成引力波

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