引力波寶藏顯示黑洞、中子星碰撞

一位藝術(shù)家描繪的碰撞黑洞在時空結(jié)構(gòu)中引起漣漪（圖片編輯:R. Hurt/Caltech-JPL）

科學(xué)家發(fā)布了迄今為止最大的引力波探測目錄，為宇宙中質(zhì)量最大的物體，黑洞和中子星的相互作用提供了新的線索。

編纂這個目錄是由三臺具有開創(chuàng)性的探測系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的：其中兩臺激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測器位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓，另外一臺是位于意大利比薩的歐洲處女座（Virgo）引力波天線。

該目錄包含35次新發(fā)現(xiàn)的引力波事件，即1916年愛因斯坦在廣義相對論中預(yù)測的時空漣漪。這批最新的探測結(jié)果是在開始于2019年11月的測量活動中得到的，不過這次測量活動由于新冠疫情（COVID-19）被迫中止于2020年3月。因此迄今為止探測到的引力波事件總數(shù)達(dá)到90次。

美國LIGO天文臺于2015年公布了第一次引力波探測。此后這項(xiàng)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，在觀測過程中，探測器每個月都會捕獲一個信號。

根據(jù)歐洲Virgo天文臺的一份聲明，大部分新探測到的引力波都是由黑洞融合觸發(fā)的。但這份目錄同時也包含了三次探測，可能標(biāo)志著中子星和黑洞的碰撞。

黑洞和中子星是大質(zhì)量超巨星的坍塌核心，也是宇宙中密度最大、質(zhì)量最大的天體。當(dāng)它們進(jìn)入彼此的引力場時，它們開始圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，形成一個雙星系統(tǒng)。此時產(chǎn)生的強(qiáng)大引力觸發(fā)了宇宙“地震”，這些震動在空間中回蕩，扭曲了時空結(jié)構(gòu)。最終，這些物體碰撞合并，形成新的超大質(zhì)量黑洞。

“在最近探測到的合并過程中形成的黑洞的質(zhì)量超過太陽質(zhì)量的一百倍”，資助英國致力于引力波研究的機(jī)構(gòu)——英國國家科研與創(chuàng)新署（UKRI）在一份報告中說。在這份報告中他們還說，“這么大的黑洞目前只能從理論上預(yù)測，而最近的觀測可能最終證明它們的存在”。

參與這項(xiàng)研究的蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)講師克里斯托弗·貝瑞 (Christopher Berry) 在聲明中說：“直到現(xiàn)在，我們才開始欣賞黑洞和中子星奇妙的多樣性?！?“我們的最新研究結(jié)果證明它們有多種尺寸和組合的碰撞。我們已經(jīng)解開了一些長期存在的謎團(tuán)，但也發(fā)現(xiàn)了一些新的謎題。利用這些觀察資料，我們更加接近解開這些作為宇宙積木的恒星是如何演化的謎題?！?/p>

在活動期間探測到的黑洞和中子星之間三個疑似碰撞中，有一個可能涉及一顆質(zhì)量僅為太陽 1.17 倍的中子星。根據(jù) UKRI 的說法，如果估算是正確的，這將是有史以來發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最小的中子星之一。

Virgo天文臺在聲明中說，這些觀察結(jié)果現(xiàn)已公開給更廣泛的科學(xué)界，以便其他研究人員能分析這些事件并做出新的發(fā)現(xiàn)。研究這些宇宙震蕩的回聲將揭示相關(guān)物體性質(zhì)，以及碰撞期間發(fā)生的進(jìn)程的新的數(shù)據(jù)。

澳大利亞國立大學(xué)的天體物理學(xué)家蘇珊·斯科特（Susan Scott）也參與了這項(xiàng)研究，她在一份聲明中說，通過觀察這些雙星系統(tǒng)中黑洞的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)可以了解這些系統(tǒng)最初是如何發(fā)展的。

斯科特在聲明中說：“這確實(shí)是引力波探測的新時代，不斷增長的發(fā)現(xiàn)揭示了整個宇宙中恒星生死的大量信息?！?/p>

“這也提出了一些非常有趣的問題。例如，這個系統(tǒng)到底是由兩顆經(jīng)歷了它們各自生命周期并最終變成兩個黑洞的恒星形成的？抑或是兩個黑洞被一個例如銀河系中心這樣的非常致密的動力學(xué)環(huán)境中推到一起的？”

從最新的目錄可以看出，自2015年突破性的發(fā)現(xiàn)以來，引力波探測取得了極大的進(jìn)步。由于儀器靈敏度的提高，科學(xué)家們現(xiàn)在每個月都會在天文臺運(yùn)行時進(jìn)行新的探測。事實(shí)上，目前90次探測中有70次都是在2019年以來的最后兩次觀察中進(jìn)行的。

LIGO天文臺和Virgo天文臺目前都在進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步提高其靈敏度，并為將于2022年年中開始的新觀測做準(zhǔn)備。這次升級意味著，這兩個天文臺將能夠探測到來自幾乎比以前大10倍的宇宙空間的信號。

當(dāng)LIGO天文臺和Virgo天文臺恢復(fù)工作時，日本的神岡引力波探測器(KAGRA)也將加入進(jìn)來，該探測器于2020年2月上線。

更高的靈敏度，更多的探測器——這意味著更多的新發(fā)現(xiàn)即將出現(xiàn)。

相關(guān)知識

中子星是巨大的超巨星坍縮后的核心。超巨星的總質(zhì)量在10到25個太陽質(zhì)量之間，如果特別富含金屬的話，其質(zhì)量可能會更大。除了黑洞和一些假設(shè)的物體(例如白洞、夸克星和奇異星)，中子星是目前已知的體積最小、密度最大的星體。中子星的半徑約為10公里(6.2英里)，質(zhì)量約為1.4個太陽質(zhì)量。中子星是由巨大恒星的超新星爆炸和引力坍縮共同導(dǎo)致的，其中引力坍縮壓縮了核心的密度，使其超過了白矮星的密度，達(dá)到了原子核的密度。

一旦形成，它們就不再積極地產(chǎn)生熱量，并隨時間冷卻;然而，它們?nèi)钥赡芡ㄟ^碰撞或吸積進(jìn)一步演化。這些物體的大多數(shù)基本模型表明，中子星幾乎完全由中子(一種沒有凈電荷、質(zhì)量略大于質(zhì)子的亞原子粒子)組成;在中子星的條件下，普通物質(zhì)中的電子和質(zhì)子結(jié)合起來產(chǎn)生中子。

中子簡并壓是保利不相容原理所描述的一種現(xiàn)象，中子星在一定程度上可以通過中子簡并壓來抵抗進(jìn)一步的坍縮，就像白矮星可以通過電子簡并壓來抵抗坍縮一樣。然而，中子簡并壓本身不足以支撐0.7M以上的物體，核斥力在支撐更大質(zhì)量的中子星時發(fā)揮著更大的作用。如果殘星的質(zhì)量超過托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限(約2個太陽質(zhì)量)，簡并壓和核斥力的結(jié)合不足以支撐中子星，中子星將繼續(xù)坍縮，形成黑洞。到目前為止，探測到的最大的中子星PSR J0740+6620估計(jì)有2.14個太陽的質(zhì)量。

BY：?Tereza Pultarova?

FY：Astronomical volunteer team

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