黑洞竟會(huì)像“吃豆人”一樣吞掉中子星？

黑洞和中子星組成的獨(dú)特雙星系統(tǒng)

“在這些天文事件中，黑洞并不會(huì)像餅干怪獸（譯注：兒童電視節(jié)目《芝麻街》中一個(gè)藍(lán)色的布偶角色）一樣咀嚼掉中子星，還把碎片弄得到處都是?！币晃晃锢韺W(xué)家說(shuō)。

通過(guò)引力波對(duì)宇宙發(fā)生的大小事件進(jìn)行了四年多的探究后，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)了第三種預(yù)期的碰撞類型——而且觀測(cè)到了這種碰撞兩次。

這種新的碰撞類型里有一個(gè)黑洞和一個(gè)中子星，所以算是某種混搭型的碰撞?？茖W(xué)家們已經(jīng)觀察了數(shù)十起成對(duì)黑洞融合的天文事件，和數(shù)起成對(duì)中子星、超大密度的恒星殘骸融合的天文事件，盡管科學(xué)家們已經(jīng)預(yù)期有黑洞和中子星間的碰撞，但是這一天文事件還未被確切探測(cè)到。?

現(xiàn)在，研究人員則說(shuō)他們已經(jīng)做到這點(diǎn)了，觀察到了由這種碰撞引起的獨(dú)特時(shí)空漣漪（引力波）。

阿斯特麗德·蘭貝茨（Astrid Lamberts）是法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）的研究員，在法國(guó)尼斯蔚藍(lán)海岸天文臺(tái)（Observatoire de la C?te d'Azur）工作，她在一份聲明中說(shuō)道：“隨著在銀河系之外新發(fā)現(xiàn)了中子星和黑洞的融合，我們就發(fā)現(xiàn)了這種缺失的雙星系統(tǒng)。我們終于能漸漸弄清楚有多少這樣的系統(tǒng)存在了，弄清楚它們?nèi)诤系念l率，弄清楚為什么我們?cè)阢y河系還沒(méi)有看到這樣的例子?！?/p>

圖解：黑洞和中子星融合時(shí)產(chǎn)生引力波的藝術(shù)構(gòu)想圖。圖源：馬克·邁爾斯（Mark Myers），澳大利亞研究理事會(huì)引力波發(fā)現(xiàn)研究中心/斯威本科技大學(xué)（OzGrav/Swinburne University）。

這兩個(gè)新的探測(cè)都發(fā)生在2020年1月，間隔10天，科學(xué)家根據(jù)觀測(cè)到兩個(gè)碰撞時(shí)的日期，把它們分別命名為GW200105和GW200115。其中一個(gè)碰撞，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的兩個(gè)雙子探測(cè)器和類似的歐洲室女座（Virgo）探測(cè)器都探測(cè)到了，而另一個(gè)碰撞，只有LIOG的其中一個(gè)探測(cè)器和室女座探測(cè)器探測(cè)到。（此項(xiàng)目的合作伙伴現(xiàn)在包括了日本的神岡引力波探測(cè)器（KAGRA），但是神岡引力波探測(cè)器在2020年2月才開(kāi)始運(yùn)行。）

對(duì)GW200115的探測(cè)非常好，它被全部三個(gè)探測(cè)器都探測(cè)到了?？茖W(xué)家們認(rèn)為它的碰撞涉及一個(gè)質(zhì)量幾乎是太陽(yáng)6倍的黑洞，吞噬一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)1.5倍的中子星，這一融合發(fā)生在6.5億至15億光年之外。

GW200105沒(méi)有受到確切的探測(cè)。但是科學(xué)家們懷疑它的融合，是一個(gè)質(zhì)量約為太陽(yáng)9倍的黑洞與一個(gè)質(zhì)量約為太陽(yáng)兩倍的中子星融合，這一融合發(fā)生在大約5.5億至13億光年以外。

圖解：融合中的黑洞和中子星顯示潮汐力撕裂（tidal disruption）的藝術(shù)概念圖。

圖源：可視化：T.狄特里希（T.Dietrich）、N.菲舍爾（N.Fischer）、S.奧索金（S.Ossokine）、H.法伊弗（H.Pfeiffer）、T.武（T.Vu）；模擬：V.查拉西亞（V.Chaurasia）、T.狄特里希。

科學(xué)家們還不確定這些混搭型的融合是否產(chǎn)生了可見(jiàn)光信號(hào)，是的話正如成對(duì)中子星融合時(shí)那樣，否的話正如兩個(gè)黑洞融合的例子那樣。

天文學(xué)家們無(wú)法將任意一條這些新的引力波探測(cè)結(jié)果，與光波觀測(cè)結(jié)果匹配，但是這不一定就意味著不存在這種相符合的閃光。因?yàn)閷?duì)于較不精確的探測(cè)，科學(xué)家們只能把源頭出現(xiàn)的范圍縮小到大約17%的天空面積；而對(duì)于較精確的探測(cè)，科學(xué)家們依然要面對(duì)相當(dāng)于2900顆滿月大的區(qū)域。除此之外，碰撞地點(diǎn)距離我們非常遠(yuǎn)，所以不管什么光線達(dá)到地球時(shí)，都會(huì)變得極其暗淡。

然而，科學(xué)家們還是懷疑：至少對(duì)這些特別的融合來(lái)說(shuō)，沒(méi)有能看到的光信號(hào)。

威斯康星大學(xué)密爾沃基分校的物理學(xué)家、LIGO科學(xué)合作組織目前的發(fā)言人帕特里克·布雷迪（Patrick Brady）在一份聲明中說(shuō)：“在這些天文事件中，黑洞并不會(huì)像餅干怪獸一樣咀嚼掉中子星，還把碎片弄得到處都是。正是‘把碎片弄得到處都是’會(huì)產(chǎn)生光，我們認(rèn)為這些案例中不會(huì)發(fā)生這種情況?！保ㄟ@種咀嚼吞食也叫做潮汐力撕裂。）

圖解：這張圖片顯示了引力波探測(cè)器觀測(cè)到的碰撞天體初始的質(zhì)量和最終的質(zhì)量。

圖源：弗蘭克·埃拉夫斯基（Frank Elavsky）/LIGO-室女座探測(cè)器、阿倫·蓋勒（Aaron Geller）/西北大學(xué)。

這兩起天文事件標(biāo)志著科學(xué)家們首次看到黑洞和中子星的融合，而且確信是混搭型的融合。不過(guò)對(duì)于更前面的兩起探測(cè)，雖然同樣的情況也可能發(fā)生了，但是科學(xué)家們連其中一起都不能肯定。這些天文事件中的其中一起在2019年8月被探測(cè)到，一個(gè)大黑洞，要么與一顆已知最大的中子星融合了，要么與一個(gè)已知最小的黑洞融合了。另一起天文事件被探測(cè)到的時(shí)間還要早4個(gè)月，它或許是一種混搭型的融合，但也可能只是探測(cè)器中的雜音。

鑒于2020年1月的兩起觀測(cè)，科學(xué)家們現(xiàn)在預(yù)測(cè)：在距地球10億光年以內(nèi)，每月都會(huì)發(fā)生一次一個(gè)黑洞和一顆中子星的融合。

對(duì)于這種融合如何發(fā)生，科學(xué)家們給出了兩種理論。其中一種理論認(rèn)為：雙星系統(tǒng)的每一個(gè)成員都會(huì)獨(dú)自變成超新星，爆炸后形成兩個(gè)致密的殘骸，最終融合。另一種理論則認(rèn)為：分隔開(kāi)的恒星會(huì)先經(jīng)歷超新星爆炸，然后才形成雙星系統(tǒng)。

這兩起新觀測(cè)到的碰撞還不足以確定到底發(fā)生了什么，但是科學(xué)家們希望憑借引力波探測(cè)最終可以解決這個(gè)謎團(tuán)。

伊利諾伊州西北大學(xué)博士后、該研究的共同作者之一馬婭·菲施巴赫（Maya Fishbach）在一份大學(xué)的聲明中說(shuō)：“我們對(duì)中子星和黑洞還有太多不了解的地方——它們能有多小、能有多大，它們的旋轉(zhuǎn)速度能有多快，它們?nèi)绾纬蓪?duì)融合在一起。隨著將來(lái)獲得引力波數(shù)據(jù)，我們就能用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)回答這些問(wèn)題，并能最終弄清楚我們宇宙中最極端的天體是如何產(chǎn)生的。”

LIGO的兩個(gè)雙子探測(cè)器、室女座探測(cè)器和神岡探測(cè)器，都在為第四輪合作觀測(cè)活動(dòng)做準(zhǔn)備，這輪觀測(cè)活動(dòng)定于明年夏天開(kāi)始。科學(xué)家們說(shuō)在這項(xiàng)工作中，探測(cè)器每天都可能探測(cè)到一個(gè)引力波信號(hào)，從而讓科學(xué)家們對(duì)宇宙正在發(fā)生的事，獲得比之前巨量多的信息，例如上述這些戲劇性的融合。

澳大利亞國(guó)立大學(xué)物理學(xué)家、該研究的共同作者之一蘇珊·斯科特（Susan Scott）在一份大學(xué)的聲明中說(shuō)：“每次撞擊不只是兩個(gè)巨大而致密的天體碰到一起。那融合的確很像是‘吃豆人’——黑洞會(huì)將它的中子星同伴整個(gè)吞下去。這些撞擊已經(jīng)撼動(dòng)到了宇宙核心，我們已經(jīng)探測(cè)到的它們產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，在宇宙中極速傳播?！?/p>

BY: Meghan Bartels

FY: redbeard305050

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