黑洞-中子星合并藝術(shù)圖（圖片來(lái)源：Carl Knox, OzGrav - Swinburne University）

繼雙黑洞合并、雙中子星合并之后，人類(lèi)終于首次探測(cè)到了黑洞-中子星合并事件。人類(lèi)具有引力波探測(cè)能力不過(guò)6年時(shí)間，而它給人類(lèi)帶來(lái)的科學(xué)成果，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象。

編譯｜王昱 李詩(shī)源

審校｜吳非

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6月29日，在一篇發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》的論文中，來(lái)自美國(guó)LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA的天文學(xué)家公布了他們的合作成果。在LIGO和Virgo的第三輪運(yùn)行（被稱(chēng)為O3b）中，天文學(xué)家接連發(fā)現(xiàn)了兩例來(lái)自黑洞-中子星合并的引力波事件——GW200105和GW200115。

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來(lái)自GW200105的引力波信號(hào)（視頻來(lái)源：MAYA Collaboration）

相距10天的觀測(cè)

2020年1月5日，LIGO首先探測(cè)到了GW200105。LIGO在美國(guó)路易斯安那州和華盛頓州分別有兩個(gè)觀測(cè)臺(tái)站，不巧的是，當(dāng)天位于華盛頓州的探測(cè)器正在下線維護(hù)，因此只有位于路易斯安那州的探測(cè)器探測(cè)到了這次引力波事件。此外，Virgo探測(cè)器雖然也在觀測(cè)，但是此次引力波事件對(duì)Virgo探測(cè)器來(lái)說(shuō)太弱，難以從噪聲中分離出來(lái)。對(duì)來(lái)自單個(gè)LIGO探測(cè)器的數(shù)據(jù)展開(kāi)分析后，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)這一引力波信號(hào)是由一個(gè)8.9倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞和一個(gè)1.9倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體合并產(chǎn)生的。最終，天文學(xué)家確認(rèn)這個(gè)1.9倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體是一顆中子星，此次合并發(fā)生在9億光年之外。

但是，由于只有一個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到了GW200105的信號(hào)，如同只有一只耳朵接收到聲音信號(hào)，天文學(xué)家難以精確定位引力波的來(lái)源。他們只能大致判斷信號(hào)來(lái)源的范圍——占據(jù)全天的17%，大約相當(dāng)于34 000個(gè)滿(mǎn)月所占的面積。

好在，僅僅10天之后，GW200105信號(hào)的遺憾就得到了彌補(bǔ)。1月15日，全部三個(gè)大型引力波探測(cè)器——兩個(gè)LIGO探測(cè)器和Virgo探測(cè)器——都探測(cè)到了被命名為GW200115的引力波信號(hào)。進(jìn)一步的分析顯示，這個(gè)引力波信號(hào)來(lái)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(gè)5.7倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，以及一個(gè)1.5倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星。同時(shí)，由于這三個(gè)探測(cè)器距離較遠(yuǎn)，科學(xué)家能比較精確地判斷引力波來(lái)源于哪些方向。最終，天文學(xué)家劃定了信號(hào)可能的來(lái)源范圍——相當(dāng)于2900個(gè)滿(mǎn)月的面積。

盡管在這兩次觀測(cè)之后，天文學(xué)家立即對(duì)相應(yīng)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了多波段觀測(cè)，但在所有波段上都沒(méi)有觀測(cè)到來(lái)自這兩個(gè)事件的電磁波，這與引力波觀測(cè)結(jié)果相符合。當(dāng)中子星靠近黑洞時(shí)，理論上它會(huì)被潮汐力撕裂，從而產(chǎn)生一陣閃光。但是在觀測(cè)到的這兩個(gè)事件中，黑洞的質(zhì)量都比中子星大得多，黑洞可以一次性把中子星整個(gè)“吞下”，不留下任何痕跡。

天文觀測(cè)新窗口

自從2015年人類(lèi)首次探測(cè)到引力波以來(lái)，它就成為了人類(lèi)了解宇宙的新窗口。如果說(shuō)以往人類(lèi)是在用電磁波“看”宇宙的話，引力波探測(cè)技術(shù)則像是給了人類(lèi)“聽(tīng)”見(jiàn)宇宙的能力。GW150914讓人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)了雙黑洞合并事件，GW170817則讓人類(lèi)探測(cè)到了雙中子星合并事件，3位主導(dǎo)引力波探測(cè)計(jì)劃的物理學(xué)家也被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到今天，人類(lèi)通過(guò)引力波確認(rèn)的黑洞數(shù)量已經(jīng)超越了以往任何一種手段所發(fā)現(xiàn)的。人類(lèi)有能力統(tǒng)計(jì)這些恒星墓地的質(zhì)量分布，甚至找到了一絲破解中等質(zhì)量黑洞之謎的方法。

圖片結(jié)果截至2020年（圖片來(lái)源：LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern）

不過(guò)，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(wǎng)絡(luò)還發(fā)現(xiàn)有兩例黑洞-中子星合并的候選體：GW190814是由一個(gè)23倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞和一個(gè)2.6倍太陽(yáng)質(zhì)量天體合并產(chǎn)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(lái)源于黑洞-中子星合并，但也可能是探測(cè)器噪聲的結(jié)果。

GW200105和GW200115的來(lái)源則很確定，它就是黑洞-中子星合并的結(jié)果?！皽慅R這張拼圖至關(guān)重要，它能告訴我們?cè)谥旅芴祗w形成和雙星演化的物理模型中，哪種天體占多數(shù)，而這一問(wèn)題的本質(zhì)是對(duì)中子星和黑洞相互合并率的預(yù)測(cè)。通過(guò)這些探測(cè)，我們最終測(cè)量了所有三類(lèi)雙星的合并率?！泵绹?guó)西北大學(xué)的研究生蔡斯·金博爾（Chase Kimball）說(shuō)，他是這篇論文的合著者。

由于兩次合并事件在10天之內(nèi)接連發(fā)生，天文學(xué)家也能對(duì)此類(lèi)合并事件發(fā)生的頻率做出估計(jì)。盡管還有很多合并事件沒(méi)有被檢測(cè)到，但天文學(xué)家估計(jì)在10億光年內(nèi)，大約每個(gè)月都會(huì)發(fā)生一起黑洞-中子星合并事件。

至于兩個(gè)黑洞-中子星雙星系統(tǒng)是從何而來(lái)的，天文學(xué)家們則有不同的猜想。一種假說(shuō)認(rèn)為，這種系統(tǒng)是由一對(duì)恒星相互繞轉(zhuǎn)的系統(tǒng)演化而來(lái)。在這一系統(tǒng)到達(dá)演化末期時(shí)，其中一顆恒星會(huì)變成黑洞，另一顆則變成中子星，但它們?nèi)匀槐３窒嗷ダ@轉(zhuǎn)，直到兩者合并。而另一種假說(shuō)則認(rèn)為這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，兩個(gè)天體在致密星區(qū)中分別獨(dú)立形成，隨后它們組成雙星并且合并。

未來(lái)

“我們現(xiàn)在已經(jīng)探測(cè)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(xiàn)象。但是關(guān)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(nèi)變化？它們的自轉(zhuǎn)速率能有多快？它們?nèi)绾纬蔀殡p星并最終合并？在未來(lái)引力波數(shù)據(jù)的幫助下，我們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果將能回答這些問(wèn)題。最終，我們將理解這些宇宙中最極端的天體是如何產(chǎn)生的。”LIGO科學(xué)合作組織成員，美國(guó)西北大學(xué)的馬婭·菲什巴赫（Maya Fishbach）說(shuō)，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(méi)有參與數(shù)據(jù)采集。KAGRA在2019年完成建設(shè)，2020年2月參與數(shù)據(jù)采集，那時(shí)正是O3b運(yùn)行的最后階段。KAGRA科學(xué)合作組織由來(lái)自14個(gè)國(guó)家和地區(qū)的超過(guò)470名會(huì)員組成。目前，KAGRA已經(jīng)加入了LIGO和Virgo組成的引力波探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，人類(lèi)的引力波探測(cè)能力也得到了相應(yīng)的提升。

KAGRA鳥(niǎo)瞰圖（圖片來(lái)源：KAGRA）

現(xiàn)在，這些引力波團(tuán)隊(duì)正在對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)升級(jí)，為2022年夏天開(kāi)始的第四輪觀測(cè)做準(zhǔn)備。未來(lái)，引力波還會(huì)給人類(lèi)哪些驚喜，讓我們拭目以待。

參考論文：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac082e

參考鏈接：

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2021-06/nu-adf062821.php

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2021-06/anu-bh062521.php

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2021-06/c-tfd062821.php

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《環(huán)球科學(xué)》


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