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    兩個只進不出的黑洞融合,怎么丟了三個太陽,丟哪去了?

    這是熊瞎子盯著西瓜,丟苞米的問題,不外這題屬實有點難。黑洞融合除了黑洞自己,還關系到時空。質量和能量本為一家,能量是質量,質量是能量,勢能也是能量,所以勢能也是質量,除了要考慮黑洞的質量之外,還要考慮連系過程中勢能的轉變,時空布局的轉變。

    圖:兩個正在歸并的黑洞,尤其是在歸并的最后階段,會發出大量的引力波。

    引力波

    早在一百多年前,愛因斯坦就經由過程《廣義相對論》展望到引力波的存在,而第一次檢測到較大的引力波則跨越了一個宿世紀.。2015年,激光干與儀引力波天文臺(LIGO)檢測到兩個黑洞歸并發生的引力波數據。

    不外,從LIGO發現的數據中可以發現:黑洞歸并質量的似乎以輻射形式散掉了一部門,導致歸并之后的質量比本來兩個黑洞的總質量要小。然而,人們遍及認為沒有任何工具能逃走黑洞,那黑洞歸并發生的能量是若何消逝的呢?這涉及到黑洞和廣義相對論的焦點。

    圖:黑洞及其四周、加快和下落的吸積盤的圖解。奇點埋沒在視界后面。

    黑洞所有的質量和能量都集中在中間的奇點,因為進入視界中的光無法逃走,所以外部不雅察者永遠看不到它。在視界內,任何粒子所能走的任何路徑,無論是具有質量,仍是只具有能量,都將被帶進黑洞的奇點中。這意味著一旦您進入視界,您就會當作為奇點的一部門,包羅質量、電荷和扭轉的動力。

    圖:時空的漣漪呈現在黑洞彼此環抱軌道的頻率上,并且越接近黑洞,漣漪的強度就越大。

    另一方面,愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,當兩個質量(任何類型)彼此環抱時,當軌道自己衰變時,它會在空間布局中發生漣漪。這些被稱為引力波的漣漪以光速活動,導致空間在經由過程它時發生膨脹和縮短,并攜帶能量。

    按照愛因斯坦最聞名的方程,E = mc2(或者,如他最初寫的,m = E/c2),我們知道一個能量來歷是質量,一個質量來歷是能量。它們可以彼此轉化;質量只是能量的一種特別形式。

    丟了3個太陽

    圖:來自LIGO初次探測到引力波較大幅度的數據。

    當LIGO發布的成果時,對于成果大師有點奇異,他們發現兩個黑洞別離是36和29倍太陽質量,歸并在一路來建立一個新的62倍太陽質量的黑洞。其他3個太陽質量(約占整個系統質量的5%)去了哪里?后來再次探測到的數據,也呈現了不異的環境。兩個質量半斤八兩的黑洞融合在一路,它們最初質量的5%以引力波的形式被輻射出去。

    找到了

    每個黑洞都有一個視界,每一對在歸并前都有一個,歸并后的最后一個黑洞也有一個,在歸并過程中,視界也不會閃現出奇點,完滿是“暗箱操作”,質量是怎么出來的呢?

    圖:任何物體或外形,無論是物理的仍是非物理的,在引力波經由過程時城市被扭曲。請注重,黑洞的視界內從來沒有發射出任何波。

    這不僅僅是問題;仍是個腦子急轉彎!這就像問質子在太陽中融合當作氘,氦-3和氦-4時質量去了哪里。為什么氦-4的質量比構成它的4個質子要小?因為原子核的連系能,與非束厄局促態比擬,束厄局促態更不變,能量更少(是以質量更小)。

    當兩個黑洞歸并,這兩個黑洞變得比以前更受束厄局促,更受引力束厄局促。它們掉去的能量是因為引力連系能,而不是因為任何一個黑洞中的質量離開了視界。

    圖:牛頓的萬有引力定律已經被愛因斯坦的廣義相對論所代替,但它仍然是一個用來不雅察力和能量等物理量的申明性東西。

    您可以從牛頓引力看出這一點。假設您有兩個質量各為1千克的物體,它們處于靜止狀況,彼此之間相隔無限遠。它們在這個系統中有必然的能量,可以操縱愛因斯坦方程E = mc^2,算出成果為1.8 × 10^17焦耳。此刻我們改變它們的距離,讓引力閃現。

    若是它們相隔1千米,整個系統就損掉了6.67 × 10^-14焦耳的能量。

    若是把距離減小到1厘米,系統就會損掉6.67 × 10^-9 焦耳。

    若是把距離縮小到質子巨細,即10^-15米,系統就會損掉 6.67 × 10^4焦耳,或者66700焦耳能量。

    若是想要損掉半斤八兩大的能量,您可以想象一下,把這個距離一向減到10^-27米,就會損掉 6.67 × 10^16 焦耳,大約是原始能量的35%。

    (哈哈,是不是發現新大陸了)

    圖:光和空間的漣漪,當光經由過程扭曲的空間時,它改變了其他位置的不雅察者對光的時候流逝的感知。

    當然,在這些標準上宇宙應遵循廣義相對論,而不是牛頓引力,但環境是一樣的。這申明可并非是黑洞正在掉去質量,而是說時空中的總能量正在從“兩個完全分手的、未連系的質量”的形式,改變為,“一個慎密連系的質量加上引力輻射”的形式。

    原始黑洞軌道特征和質量決議了原始總質量中有幾多百分比釀成告終合能。但在最終質量老是大于本來肆意一個黑洞的質量,但小于原始質量的總和。

    若是兩個黑洞質量大致不異,那么最大輻射量約為5%。

    若是它們扭轉會發生大量的能量,而且扭轉偏向一致,那么這個比例就會上升到11%擺布。

    若是此中一個質量比另一個大得多,百分比就會下降;

    例如:一個1倍太陽質量的黑洞與一個100萬倍太陽質量的黑洞歸并,只能釋放出0.0001%的能量。

    總結

    圖:兩顆彼此環抱的恒星的結果圖,它們從左到右逐漸歸并當作引力波。這可能是短周期伽馬射線爆發的發源,也是引力波的來歷。

    吸引和歸并并不會導致黑洞內部的釋放出任何工具,素質是時空發生變形,從而改變兩個黑洞歸并前和歸并后的勢能。在視界與視界融合剎時,因為猛烈碰撞,引力波會達到最大,然后衰減,但不會有粒子從黑洞里出來。當視界會恢復到球形或者橢圓球形,引力波遏制輻射,一切歸于正常。

    圖:黑洞融合最后階段到平穩

    愛因斯坦的展望很是清晰,所以我們能事先知道,進行探測,我們已經提前計較出要尋找什么旌旗燈號。固然有的時辰,我們的本家兒不雅意識可能會給我們錯誤的指導,但我們有方程啊!數學計較是真的,即使我們感受錯了,計較也會給我們科學的真理。


    • 發表于 2020-05-02 02:00
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