瞬间释放8个太阳质量的最强引力波,除了强,还有什么特别地方?

前两天我介绍了一下LIGO在月初公布的人类迄今探测到的最强引力波GW190521,由于篇幅所限没有细说,今天要补上了。如果对该引力波事件完全不清楚的可以一会而翻看我两天前的文章:《宇宙最强音,8个太阳质量瞬间释放,LIGO发现最强引力波》。

在2016年2月,LIGO向全球发布人类探测到的第一例引力波事件GW150914,该引力波是在2015年9月14日被刚升级完成的LIGO(激光干涉引力波天文台)分别位于美国西北海岸的汉福德和南海岸利文斯顿的两组互相垂直的真空臂探测到。

在这第一次引力波中释放了自宇宙大爆炸以来最强的能量,一个36倍太阳质量的黑洞与一个29倍太阳质量的黑洞合并产生一个62倍太阳质量的黑洞,有3个太阳质量的能量在远不到一秒的时间里以引力波辐射的形式完全释放到宇宙空间中去。

自那次以后,LIGO和Virgo在几年内探测到十数次引力波事件,但再没有出现比那次更强的引力波了。

下面是LIGO此前发布的一张包含10次引力波事件的波纹表,最强的就是第一次GW150914。虽然其中有质量更大的双黑洞合并事件,但引力波辐射的能量均不如GW150914,其中GW170729为一个50倍太阳质量的黑洞与一个34倍太阳质量的黑洞合并生成一个约80倍太阳质量的黑洞,理论上引力波释放越4个太阳质量,但由于这个事件的置信度过低,所以不能作为一次确切的数值参考。

而此次GW190521直接刷新了GW150914的纪录两倍多,辐射出的能量达到8个太阳质量,且置信度较高。宇宙大爆炸后最强能量释放非它莫属了!

除了强,这次引力波事件还有一个特殊的地方,就是发现了光学对应体。因为一般情况下双黑洞合并是产生不了可见的电磁辐射的,而这次事件粉碎这种说法。记得在2017年,好像是10月还是11月,全球多家天文台共同发布了一个引力波事件及其光学对应体:GW170817。这是一对中子星合并所产生的引力波事件,此后在数个月里,各大天文台在各波段均找到了其光学对应体,正式开启了多信使天文学。

双中子星合并产生电磁辐射好理解,因为中子星本身就是可发光的,在碰撞过程中会抛射出大量发光物质,并且由于引力减小,原本处于中子简并态的物质会瞬间膨胀爆炸,释放出的中子物质会快速衰变产生重元素和超重元素的原子核,随之再次释放强大的电磁辐射。

但黑洞本身不发光的呀,它的电磁辐射是怎么来的呢?答案就是黑洞周围的吸积盘。大部分黑洞周围都有一个吸积盘,它是有黑洞吸积周围气体形成的。记得人类拍摄的第一张黑洞照片吗?嗯,那个萌萌哒黑洞,可见部分就是黑洞的吸积盘。

其实早在第一次引力波事件发布时就有人指出,双黑洞合并过程中吸积盘碰撞摩擦有可能产生可见的电磁辐射,不过科学家一直没找到。

这次GW190521事件光学对应体的成功探测终于验证了这一预言。两个恒星级黑洞的吸积盘在接近光速的高速碰撞中产生强烈的可见电磁辐射,穿过数十亿光年的星际空间被人类探测到。

不过这次的光学信号是在引力波信号成功探测之后35天才接收到的,这可能是由于高能的电磁辐射穿过厚厚的气体时不断散射导致速度下降,电磁信号大约持续40天。根据光学分析,这次光源的红移量在0.82,光度距离约为5.3Gpc,即53亿秒差距,我找人帮忙算了一下大约相当于光行距离80亿光年……

这次双黑洞合并事件另一个奇怪的地方是两个黑洞的自转轴指向导致赤道平面与绕转轨道面存在较大差异。我个人猜测这次能收到这么强的电磁信号的一个原因我估计与两个黑洞赤道平面与绕转轨道面的较大差异有关,因为这意味着两个吸积盘并不在同一个公转平面上。不过这纯粹是个人猜测。