<title>HG8868体育入口网格拉斯哥大学-学院-物理学院 & 天文学。研究。研究组。引力研究所。研究。引力天体物理学

引力天体物理学

介绍

重力辐射的探测,首先由 2015年的LIGO后来被处女座开创了天文学的一个全新分支:观测引力天体物理学. 格拉斯哥大学(格拉斯哥大学)的引力研究所(引力研究所)处于探索这一新领域的前沿. 我们深入参与了LIGO-Virgo合作项目用于探测信号的灵敏方法的开发, 在天体物理学对这些令人兴奋的新结果的解释中. LIGO的最新结果可以在 合作网站,我们在格拉斯哥的一些活动描述如下.

黑洞

两个黑洞合并为一个(模拟极端时空(SXS)项目),http://www.黑洞.org)

什么是黑洞?

黑洞是一种时空区域,在那里引力非常强,连光都无法逃脱它的控制. 它们的质量从太阳的几倍(恒星质量黑洞)到太阳的数十亿倍(超大质量黑洞)不等。.

它们是如何形成的

天体物理学上的黑洞是物质在自身引力作用下坍缩形成的. 恒星质量黑洞是超大质量恒星(质量是太阳的几十倍)演化的终点。. 当这些恒星燃烧完所有的燃料后,它们就不能再产生足够的压力来抵消自身的引力, 致密的核心向内坍缩,直到形成黑洞.

基本属性

黑洞在引力研究中具有特殊的意义,因为它们在理论上是非常简单的物体, 只用三个量来描述:它们的质量, 自旋和电荷. 它们强大的引力也为我们提供了研究引力场动力学的理想实验室, 并将我们的观察结果与广义相对论预测的行为进行比较.

LIGO看到了什么?

当两个黑洞在彼此的轨道上, 它们产生引力波,引力波带走能量,最终导致它们碰撞. 在最后的几分之一秒内,这些引力波就会被地面引力波探测器高级LIGO和高级处女座探测到. 这些信号导致了双黑洞群的发现,它们的质量是太阳的几十倍. 随着探测器灵敏度的提高,我们将发现更多这样的双星, 这能让我们更好地了解它们的数量.

我们可以用它们做什么天体物理学?

我们可以探索如此巨大的黑洞形成的方式, 来自更大质量恒星的演化. 了解人口的统计数据将告诉我们不同的途径如何促成这些类型的系统.

LISA和pta中质量更高的黑洞

以及目前为止通过引力波发现的恒星质量黑洞, 人们也在努力探测超大质量黑洞发出的信号. 这些巨大的系统产生的信号波长要长得多,需要更大的探测器. 拥有500万公里臂的LISA天基探测器被设计用来探测星系碰撞时应该发生的超大质量黑洞合并. 要想更大,我们需要一个银河系大小的探测器, 我们可以通过精确地计时脉冲星阵列发出的信号来创造它吗. 这样的脉冲星定时阵列将探测宇宙中所有超大质量黑洞双星的背景噪声.

中子星

我们的地面探测器对频率低至10赫兹,高至几千赫兹的重力信号很敏感. 任何能够产生这种信号的源都必须以类似的速率改变其质量结构. 此外, 产生一个我们能探测到的信号, 所涉及的质量必须是巨大的——与太阳的质量相似或更大. 双黑洞, 上面描述的, 很适合这个食谱, 但它们不是由传统意义上的物质构成的. 然而,我们确实知道有一种紧凑的物体是由一种极端形式的物质构成的,它能够承受这些巨大的力量:中子星. 它们是已知物质的最极端形式——比太阳的质量还大,被压缩成一个快速旋转的高磁化球体, 直径约20公里. 中子星被认为是相当普遍的, 仅在我们的银河系中就可能有10亿, 但目前我们只知道大约2600个.

旋转中子星

脉冲星的图像, 无线电发射为绿色,伽马射线发射为品红色(NASA/Fermi/Cruz deWilde)

快速旋转(每秒旋转超过700次)的中子星在50年前首次被确定为射电脉冲星,从那时起就一直是人们密切关注的话题. 如果脉冲星在其自旋轴周围有轻微的畸形,它将产生与自旋频率相关的连续的引力波流, 就像引力“谱线”.

格拉斯哥大学领导着世界范围内探测此类脉冲星引力波的努力. 在射电和x射线脉冲星观测的指导下,我们在引力数据中寻找这些弱谱线. 我们结合多年来的引力观测,进行了LIGO最灵敏的应变测量, 在选手.

双中子星

艺术家描绘的中子星碰撞后的灵感. (NASA /快速/达纳·贝瑞)

旋转的中子星应该会产生微弱的引力信号. 然而,我们知道几个双中子星的例子('BNS's, i.e.(两颗中子星在彼此靠近的轨道上运行),这开辟了一种新的可能性. 就像双黑洞一样, BNS系统的轨道会因引力辐射而衰减,最终两颗恒星会相撞.

在格拉斯哥,我们正全力寻找, 和天体物理学的解释, BNS合并的引力信号. 这些特征丰富的事件是地面引力望远镜所能观测到的最重要的事件之一. 中子星的物质足够强大,可以承受巨大的力,直到最后几圈, 当恒星被扭曲,最终在合并中被撕裂. BNS合并会在我们的敏感波段产生强大的引力波爆发, 精确的波形包含了中子星自身组成的独特信息. 这是一种极端的物质形式,只能存在于难以想象的压力下——足够, 在星星的中心, 把一艘航空母舰压成沙粒大小. 然而,中子星是由我们在核物理和粒子物理中研究的相同的基本粒子组成的,因此有望对物质的本质有一个独特的见解.

超新星和未知

仙后座A,银河系中一颗年轻的超新星遗迹. 来源:NASA/CXC/MIT/UMass Amherst/M.D.阶段等.

当一颗大质量恒星走到生命的尽头, 它不能再支撑外层的物质,外层的物质开始向恒星的核心坍缩. 这颗核心坍缩超新星标志着一颗大质量恒星的剧烈死亡. 这些爆炸, 哪一个能短暂地超越整个星系, 是我们宇宙中最壮观的事件吗. 当一颗恒星在相对较近的地方爆炸时,e.g., 在我们的银河系中, 这样即使没有望远镜也能看到它发出的光, 一颗“新星”出现在天空中. 除了光, 这些灾难性的事件也会产生引力波的爆发, 在格拉斯哥,我们有一个专门检测这种信号的研究项目.

这是一个很短的, 猛烈而重要的相位只持续几毫秒,但可以用光学望远镜在宇宙的大部分地区观测到. 核心坍缩超新星发出的光为我们提供了很多关于爆炸起源的信息. 然而, 从恒星中心发出的光不能穿透周围的物质, 因此,仅从对核心坍缩超新星的电磁观测来看,所有关于核心坍缩的信息都丢失了. 另一方面,引力波可以让我们深入了解坍缩核心的动力学. 引力波可以从坍缩的核心中逃逸, 不会被恒星致密的外层散射或吸收, 原则上我们可以用LIGO和Virgo探测到它们.

这些爆炸也很有趣,因为我们周围许多常见的化学元素实际上是在核心坍缩超新星中产生的, 所有四种基本力量都起作用, 以及阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的完整方程. 所有这些过程都会在核心坍缩超新星发出的引力波特征上留下印记, 然而,在事件发生期间发生的丰富复杂的物理现象非常难以模拟,并且计算成本非常高. 因此, 探测到来自核心坍缩超新星的引力波将是一个突破性的发现,它将增强我们对这种高能量现象背后的天体物理学的理解.

多信使天文学

一些最强的引力波源也会产生足够的光,使地面和太空望远镜可以通过电磁波谱看到. 如上所述, 当中子星旋转在一起时,bss释放出大量的引力波能量. 在合并阶段,恒星产生高放射性物质以及伴随的伽马射线爆发, 它被认为是来自于合并的恒星在十分之一秒内爆发的高能辐射的狭窄喷流. 伽马射线暴是宇宙中能量最高的事件之一, 通常释放的能量相当于我们的太阳在其整个生命周期中释放的能量,但仅仅在几秒钟内.

如果我们能看到双星并合的引力特征,那么我们就能确定它的特征质量和它离我们的距离. 这是灵感信号非常不寻常的特性. 如果我们也能测量出双星在宇宙膨胀时远离我们的速度, 通过分析其光谱的红移, 然后我们可以测量宇宙的膨胀率, 即哈勃常数(H0). 在格拉斯哥,我们结合当地的宇宙学专业知识,对这种确定H0的独特方法进行了研究, 数据分析和引力波天体物理学.

还有其他可能的签名. 中子星合并过程中喷射出的放射性物质在衰变时发光, 在合并后的几天内发出可见光和红外光. 这种现象被称为千新星或宏新星,比伽马射线暴暗1000亿倍. 除了光和引力波, 产生放射性富中子物质的过程也可能是地球上发现的金和其他重元素的来源. 我们体内大多数较轻的元素(如碳和氧)可能是在超新星中产生的, 但是重元素的来源仍然是一个谜,这个谜可以通过同时观察光和引力波来解决. 虽然我们都是由恒星物质构成的,但你的金戒指可能是由中子星物质构成的!

与双中子星合并相关的丰富现象学意味着它们的观察和研究影响了广泛的物理学领域. 它们是优秀的粒子物理实验室, 为探测核物质的性质提供了比地面实验室更为极端的条件. 它们也是自然界中多信使辐射最丰富的来源之一, 覆盖了整个电磁频谱, 产生低频和高频的引力波, 它们很可能是高能中微子发射的来源, 开启了天体粒子天体物理学的可能性.

这些新的宇宙信使预示着多信使天文学新时代的到来, 在哪里,我们可以一边听宇宙引力波交响乐,一边观察电磁波谱上的全部辉煌, 从无线电波到高能伽马射线, 都是由宇宙中最极端、最奇异的现象发出的.