宇宙引力波七种形成方式,你还知道哪种?

大明科普 2020-01-10 09:38:11

在广义相对论里,引力波是时空的涟漪。就好像当投掷石头到池塘里时,会在池塘表面产生涟漪,从石头入水的位置向外传播。

水波引力波源简介

引力波的产生,是因为非对称的运动造成了四极矩随时间变化。笼统的说法是,只要一个系统在运动时轮廓变化了,就能够生成引力波。

引力波——时空的波纹(示意图)

例如,一支铅笔的旋转会否产生引力波,要看其旋转轴:沿着铅笔则无,垂直于铅笔则有。另一个简单的例子是哑铃的旋转。如果哑铃的两端好像两个天体互相公转(即旋转轴垂直于连接哑铃两端的把手),它就会产生引力波。

那么引力波形成方式有那么些呢?如下

1、双星系统

双星系统绕质心运动的示意图,在牛顿力学中这个轨道总是稳定的,但在相对论力学下引力辐射会造成轨道的缓慢

能够辐射可观测量级引力波的密近双星系统包括白矮星、中子星和黑洞等致密恒星组成的双星系统,例如黑洞双星、黑洞-中子星、双中子星、双白矮星等等。

LIGO和LISA主要探测的波源频域分布。横轴为频率,纵轴为引力波振幅

它们具有很大且随时间变化的四极矩,对LIGO等地面探测器和空间探测器LISA而言都是重要的引力波源,也是至今唯一由间接观测证实的引力波源(脉冲双星系统PSR 1913+16)

引力辐射会使在旋近态中的双星损失动能,造成其轨道以很缓慢的速度发生衰减,两颗恒星逐渐接近

2、脉冲星

对于一颗独立自转的中子星(脉冲星)而言,要成为引力波射源,其质量(或质量流)分布必须存在不对称性

蟹状星云

蟹状星云,蓝色部分为钱德拉X射线天文台拍摄的X射线图像,红色部分为可见光图像,其星云中心附近存在一颗年轻的脉冲星PSR J0534+2200,极有可能会被证实为引力波源的天体之一。

3、引力坍缩和伽玛射线暴

中子星的形成来源于超新星的引力坍缩,超新星内核的坍缩速率可达每秒七万千米。这种引力坍缩并不是高度对称的,这一点已经在对超新星SN 1987A的观测中得到证实。

环绕1987 A的环圈和在中心来自超新星爆炸的环圈

SN 1987A是1987年2月24日在大麦哲伦云内发现的一次超新星爆发,是自1604年开普勒超新星(SN 1604)以来观测到的最明亮的超新星爆发,肉眼可见,位于蜘蛛星云的外围,距离地球大约51,400秒差距(约168,000光年)

这种引力坍缩会产生一种持续时间很短且无周期性的引力波突发信号,并伴随电子捕获和中微子输运的过程。

4、恒星质量黑洞

天文学家现在认识到宇宙中存在数量丰富的黑洞,根据质量可分为恒星质量黑洞和位于河外星系中心的超大质量黑洞。

这两类黑洞的质量非常不同,因此它们的引力辐射的机制和频率存在很大差别

恒星质量黑洞一般具有10倍左右太阳质量,形成于红巨星或超新星爆发时内部的引力坍缩

大质量和超大质量黑洞的质量则在10*10*10*10*10至10*10*10*10*10*10*10*10*10*10倍太阳质量范围内,其形成机制至今还不十分清楚

NASA超级计算机模拟得到的黑洞双星开始合并的情形

黑洞双星的自然频率和其质量成反比。这表明恒星质量黑洞的引力波频率在地面探测器的侦测范围内,就能够探测到引力波

5、星系合并

哈勃空间望远镜拍摄的双天线星系,星系的碰撞很有可能导致其中心超大质量黑洞的合并

两个特大质量黑洞的合并,就是恒星质量黑洞合并的加强版。由于参与的质量很大,其引力辐射的频率很低,但振幅却相当高。

6、极端质量比例旋

小质量致密天体与星系中心的大质量黑洞形成的EMRI是LISA重要的探测波源之一

特大质量黑洞与白矮星、中子星、恒星质量黑洞和中等质量黑洞等较小质量致密天体合并,这被称作极端质量比例旋。当一个致密星体碰巧接近星系中心的超大质量黑洞时它有可能被俘获,在围绕着超大质量黑洞公转的同时放出引力辐射,因此这也是一种旋近态。

7、大爆炸

引力波自诞生起在宇宙中的传播至今就几乎没有衰减或散射,所以大爆炸能够形成引力波

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