從黑洞的陰影和碰撞中檢驗愛因斯坦的廣義相對論
廣義相對論,即愛因斯坦的引力理論,在其最極端的情況下得到了最好的檢驗,那就是接近黑洞的事件視界,通過觀察超大質量黑洞的陰影和引力波,探測來自恆星質量黑洞碰撞的宇宙結構中的漣漪。來自ARC引力波發現卓越中心(OzGrav)、事件地平線望遠鏡(EHT)和LIGO科學合作組織的科學家們首次概述了一種一致的方法來探索這兩種不同觀測結果與愛因斯坦廣義相對論的偏差。
這項研究發表在《物理評論D》上,證實了愛因斯坦的理論準確地描述了目前對黑洞的觀測,無論是從最小還是到最大的。
廣義相對論的標誌性預測之一是黑洞的存在。該理論提供了關於黑洞對時空結構影響的具體描述:一個四維網,它編碼了物體如何在空間和時間中移動。這一預測被稱為克爾公制,它與光在黑洞周圍的彎曲或二元黑洞的軌道運動有關。在這項研究中,克爾公制的偏離與這些黑洞觀測中的特徵有關。
2019年,Event Horizon望遠鏡產生了星系M87中心的黑洞的剪影圖像,其質量是我們太陽的幾十億倍。陰影的角度大小與黑洞的質量、它與地球的距離以及與廣義相對論預測的可能偏差有關。這些偏差可以從科學數據中計算出來,包括以前對黑洞的質量和距離的測量。
同時,自2015年以來,LIGO和Virgo引力波觀測站一直在探測來自合併的恆星質量黑洞的引力波。通過測量來自碰撞黑洞的引力波,科學家可以探索黑洞的神秘性質和度量。這項研究的重點是廣義相對論的偏差,這些偏差在兩個黑洞碰撞和合併之前,以引力波的間距和強度的輕微變化出現。
結合對M87中超大質量黑洞陰影的測量和來自幾個雙胞胎黑洞探測的引力波(稱為GW170608和GW190924),研究人員沒有發現偏離廣義相對論的證據。該研究的共同作者和OzGrav研究助理Ethan Payne(澳大利亞國立大學)解釋說,這兩項測量提供了類似的、一致的約束。”不同大小的黑洞可能有助於打破所看到的EHT和LIGO/Virgo觀測之間的互補行為,”Payne說。”這項研究為未來測量克爾公制的偏差奠定了基礎。”