研究人員利用引力波數(shù)據(jù)測量與分析兩個(gè)黑洞合并后反沖的速度和方向

西班牙圣地亞哥-德孔波斯特拉大學(xué)旗下的高能物理研究所（IGFAE）牽頭的國際團(tuán)隊(duì)，首次聯(lián)合測量出黑洞在合并后的“反沖”速度和方向，這一成果已發(fā)表于《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）。研究顯示，引力波不僅攜帶能量，也會(huì)帶走動(dòng)量，從而在黑洞合并后給最終形成的黑洞一個(gè)“踢飛”式的反沖，讓它以相當(dāng)可觀的速度在宇宙中移動(dòng)。

引力波是愛因斯坦在1916年廣義相對(duì)論中預(yù)言的時(shí)空漣漪，當(dāng)黑洞等極端致密、質(zhì)量巨大的天體劇烈碰撞時(shí)，就會(huì)激起這種波動(dòng)，并向宇宙各個(gè)方向傳播。 由于引力波攜帶著系統(tǒng)的能量與動(dòng)量，一旦波的輻射在空間分布上不完全對(duì)稱，最終生成的黑洞就會(huì)在“失衡”的推力下產(chǎn)生反沖，也被形象地稱作“黑洞被踢了一腳”。反沖強(qiáng)度與初始兩個(gè)黑洞的質(zhì)量和自旋密切相關(guān)，而反沖方向則取決于整個(gè)系統(tǒng)在空間中的幾何構(gòu)型。

過去，科學(xué)家主要能夠從引力波信號(hào)中測出軌道傾角等少數(shù)幾何參數(shù)，另一關(guān)鍵角度——方位角（azimuthal angle）則一直難以精確獲取。 此次研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，引力波中的“高階模”（higher-order modes）包含了此前難以讀出的幾何信息，可以用來還原這一缺失的角度，從而計(jì)算出反沖的三維方向。

研究人員以2019年由高級(jí)LIGO與Virgo觀測站共同探測到的引力波事件GW190412為樣本進(jìn)行方法驗(yàn)證。 該事件中，兩顆黑洞質(zhì)量明顯不相等，因而在信號(hào)中表現(xiàn)出清晰可辨的高階模特征，非常適合精細(xì)分析。 通過基于愛因斯坦方程的精確數(shù)值模擬，團(tuán)隊(duì)推算出合并后黑洞的反沖速度超過每秒50公里，這一速度足以使它從某些致密星團(tuán)（如部分球狀星團(tuán)）中逃脫。 統(tǒng)計(jì)分析給出的貝葉斯因子約為21，對(duì)應(yīng)置信度約95%，為這一結(jié)論提供了有力支持。

在確定速度大小的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還把反沖方向與系統(tǒng)軌道軸線、以及地球觀測方向等基準(zhǔn)方向進(jìn)行了對(duì)比。 結(jié)果顯示，這一“踢飛”并非沿著軌道平面，也沒有直接指向地球，而是指向兩者之間的中間方向。 項(xiàng)目成員之一胡安·卡爾德隆-布斯蒂略教授打了一個(gè)形象比喻：引力波信號(hào)就像一支樂團(tuán)，人所處位置不同，聽到的“樂器”會(huì)有差別，而這種“音色差異”幫助科學(xué)家重建出黑洞在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。 賓夕法尼亞州立大學(xué)的庫斯塔夫·錢德拉博士則指出，這種方法等于僅憑時(shí)空中的“漣漪”，就能重構(gòu)幾十億光年之外天體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。

作者表示，這類精確的反沖測量，對(duì)于研究在特殊環(huán)境中發(fā)生的黑洞并合尤為重要，例如在擁有吸積盤的活動(dòng)星系核中，黑洞并合有可能伴隨可見光、電磁輻射等信號(hào)。 我們是否能觀測到這些閃光，很大程度取決于反沖方向與地球的相對(duì)幾何關(guān)系，因此，掌握反沖方向能夠幫助天文學(xué)家判斷某次引力波事件與某個(gè)電磁爆發(fā)是否確實(shí)來自同一宇宙事件，還是只是時(shí)間上的巧合。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)工作標(biāo)志著引力波天文學(xué)正逐步走出“只會(huì)聽見合并發(fā)生”的階段，開始進(jìn)入能夠細(xì)致繪制事件空間結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程的新階段。 未來隨著探測器靈敏度提高和事件樣本增多，同時(shí)測得黑洞反沖速度與方向?qū)⒊蔀槌Ｒ?guī)手段，幫助科學(xué)界更清晰地理解黑洞如何在宇宙中成長、遷移，并塑造星系與大尺度結(jié)構(gòu)的演化。