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引力波再立大功!人類首次確認黑洞-中子星合并事件

發布時間:2021-06-30 14:58 來源:環球科學

  繼雙黑洞合并、雙中子星合并之后,人類終于首次探測到了黑洞-中子星合并事件。人類具有引力波探測能力不過6年時間,而它給人類帶來的科學成果,已經遠遠超出了我們的想象。

  6月29日,在一篇發表在《天體物理學雜志快報》的論文中,來自美國LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA的天文學家公布了他們的合作成果。在LIGO和Virgo的第三輪運行(被稱為O3b)中,天文學家接連發現了兩例來自黑洞-中子星合并的引力波事件——GW200105和GW200115。

  來自GW200105的引力波信號(視頻來源:MAYA Collaboration)

  相距10天的觀測

  2020年1月5日,LIGO首先探測到了GW200105。LIGO在美國路易斯安那州和華盛頓州分別有兩個觀測臺站,不巧的是,當天位于華盛頓州的探測器正在下線維護,因此只有位于路易斯安那州的探測器探測到了這次引力波事件。此外,Virgo探測器雖然也在觀測,但是此次引力波事件對Virgo探測器來說太弱,難以從噪聲中分離出來。對來自單個LIGO探測器的數據展開分析后,研究團隊確認這一引力波信號是由一個8.9倍太陽質量的黑洞和一個1.9倍太陽質量的天體合并產生的。最終,天文學家確認這個1.9倍太陽質量的天體是一顆中子星,此次合并發生在9億光年之外。

  但是,由于只有一個探測器檢測到了GW200105的信號,如同只有一只耳朵接收到聲音信號,天文學家難以精確定位引力波的來源。他們只能大致判斷信號來源的范圍——占據全天的17%,大約相當于34 000個滿月所占的面積。

  好在,僅僅10天之后,GW200105信號的遺憾就得到了彌補。1月15日,全部三個大型引力波探測器——兩個LIGO探測器和Virgo探測器——都探測到了被命名為GW200115的引力波信號。進一步的分析顯示,這個引力波信號來自一次10億光年外的黑洞-中子星合并事件,事件的主角分別是一個5.7倍太陽質量的黑洞,以及一個1.5倍太陽質量的中子星。同時,由于這三個探測器距離較遠,科學家能比較精確地判斷引力波來源于哪些方向。最終,天文學家劃定了信號可能的來源范圍——相當于2900個滿月的面積。

  盡管在這兩次觀測之后,天文學家立即對相應目標區域進行了多波段觀測,但在所有波段上都沒有觀測到來自這兩個事件的電磁波,這與引力波觀測結果相符合。當中子星靠近黑洞時,理論上它會被潮汐力撕裂,從而產生一陣閃光。但是在觀測到的這兩個事件中,黑洞的質量都比中子星大得多,黑洞可以一次性把中子星整個“吞下”,不留下任何痕跡。

  天文觀測新窗口

  自從2015年人類首次探測到引力波以來,它就成為了人類了解宇宙的新窗口。如果說以往人類是在用電磁波“看”宇宙的話,引力波探測技術則像是給了人類“聽”見宇宙的能力。GW150914讓人類首次發現了雙黑洞合并事件,GW170817則讓人類探測到了雙中子星合并事件,3位主導引力波探測計劃的物理學家也被授予了諾貝爾物理學獎。到今天,人類通過引力波確認的黑洞數量已經超越了以往任何一種手段所發現的。人類有能力統計這些恒星墓地的質量分布,甚至找到了一絲破解中等質量黑洞之謎的方法。

  不過,在致密天體合并的拼圖中,中子星和黑洞的合并一直是缺失的一塊。此前,LIGO-Virgo網絡還發現有兩例黑洞-中子星合并的候選體:GW190814是由一個23倍太陽質量黑洞和一個2.6倍太陽質量天體合并產生的,該天體可能是已知最重的中子星,也可能是已知最輕的黑洞;GW190426可能來源于黑洞-中子星合并,但也可能是探測器噪聲的結果。

  GW200105和GW200115的來源則很確定,它就是黑洞-中子星合并的結果!皽慅R這張拼圖至關重要,它能告訴我們在致密天體形成和雙星演化的物理模型中,哪種天體占多數,而這一問題的本質是對中子星和黑洞相互合并率的預測。通過這些探測,我們最終測量了所有三類雙星的合并率!泵绹鞅贝髮W的研究生蔡斯·金博爾(Chase Kimball)說,他是這篇論文的合著者。

  由于兩次合并事件在10天之內接連發生,天文學家也能對此類合并事件發生的頻率做出估計。盡管還有很多合并事件沒有被檢測到,但天文學家估計在10億光年內,大約每個月都會發生一起黑洞-中子星合并事件。

  至于兩個黑洞-中子星雙星系統是從何而來的,天文學家們則有不同的猜想。一種假說認為,這種系統是由一對恒星相互繞轉的系統演化而來。在這一系統到達演化末期時,其中一顆恒星會變成黑洞,另一顆則變成中子星,但它們仍然保持相互繞轉,直到兩者合并。而另一種假說則認為這是一個動態的過程,兩個天體在致密星區中分別獨立形成,隨后它們組成雙星并且合并。

  未來

  “我們現在已經探測到了黑洞和中子星合并的首批案例,我們能確定宇宙中存在這種現象。但是關于中子星和黑洞,還有太多太多的未知之謎——它們的半徑能在什么范圍內變化?它們的自轉速率能有多快?它們如何成為雙星并最終合并?在未來引力波數據的幫助下,我們的統計結果將能回答這些問題。最終,我們將理解這些宇宙中最極端的天體是如何產生的!盠IGO科學合作組織成員,美國西北大學的馬婭·菲什巴赫(Maya Fishbach)說,她是這篇論文的合著者之一。

  值得一提的是,本次參與論文署名的KAGRA并沒有參與數據采集。KAGRA在2019年完成建設,2020年2月參與數據采集,那時正是O3b運行的最后階段。KAGRA科學合作組織由來自14個國家和地區的超過470名會員組成。目前,KAGRA已經加入了LIGO和Virgo組成的引力波探測網絡,人類的引力波探測能力也得到了相應的提升。


  現在,這些引力波團隊正在對儀器進行維護升級,為2022年夏天開始的第四輪觀測做準備。未來,引力波還會給人類哪些驚喜,讓我們拭目以待。
編輯:徐菁
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