科学界正在热议 LIGO-Virgo合作 的一项新发现。在中子星和黑洞间所谓的“质量间隙”中发现了一个新物体。

2019年8月,LIGO-Virgo 引力波网络目击了一个质量是太阳23倍的黑洞与一个质量是太阳2.6倍的神秘物体的合并。科学家们不知道这一神秘物体是否是一颗中子星或者黑洞,但是无论如何这都是一项记录,作为已知最重的中子星……或者是已知最轻的黑洞。

图源:激光干涉引力波观测台(LIGO)/加州理工学院(Caltech) /麻省理工学院(MIT)/R.Hurt(IPAC)。

当质量最大的恒星们死亡时,它们在自身引力的作用下坍缩、剩下黑洞;质量较小些的恒星死亡时,它们经历超新星爆发,留下致密的、死亡的恒星残骸,即中子星。数十年来,天文学家被中子星和黑洞间的空隙所困扰:已知最重的中子星不超过太阳质量的2.5倍,或者说2.5倍太阳质量,已知最轻的黑洞大约是5倍太阳质量。问题还是存在:这一所谓的质量差距中是否有什么东西存在。

目前,在LIGO和欧洲的Virgo探测器的一项新研究中,科学家们发现了一个质量为太阳2.6倍的物体,将它牢牢地固定于质量间隙(mass gap,是杨-米尔斯理论中的质量间隙假说)中。该天体发现于2019年8月14日,当时它与一个质量为太阳23倍的黑洞合并,LIGO与Virgo检测到了其产生的引力波。2020年6月23日,一篇关于此次探测的论文发表于《天体物理学通讯》上。

来自西北大学的维姬·卡罗基拉教授谈到:为了解开这个谜,我们已经等了几十年,我们并不清楚该物体是否是已知最重的中子星还是最轻的黑洞,但不管怎样它的发现确实打破了记录。

共同作者,来自威斯康星大学的帕特里克·布雷迪教授,密尔沃基,以及LIGO的发言人,谈到:这将改变科学家们研究中子星和黑洞的方式,质量间隙可能根本不存在,也可能是观测能力有限所致,时间和更多的观测研究会帮助我们揭开谜团。它是中子星?还是黑洞?这个神秘的2.6倍太阳质量的天体究竟是何物?

研究中描述的合并,在编号GW190814的事件中,最终产生了比太阳质量重25倍的黑洞(一些被合并的质量转变成了引力波源形式的的能量)。新形式的黑洞坐落于距地球80亿光年的地方。

在两个物体合并前,他们被因素9改变,使质量最大比作为引力波被知晓。最近另一个被报道的LIGO-Virgo事件,编号GW190412.此件事件在两个黑洞的质量比达到4:1的时候发生。

Kalogera解释道:具有大质量比的一对紧密物体,小质量的坐落在质量间隙里。以当前的理论体系来匹配这个情况,是个挑战。这项发现表明这些合并事件远比我们预测的要多,使得这个成为了小质量物体。

此神秘的物体可能是中子星和黑洞合并而成,这根据理论是一个激动人心的可能性,但是至今仍没有得到明确的验证。然而,它以2.6倍太阳重量,使得现代的对于中子星最大质量的预测进步了,并且可能不是迄今为止能探测到的最亮黑洞。

*Virgo: Virgo interferometer,室女座干涉仪,位于意大利

一未知天体由LIGO及Virgo在质量间隙中发现

存在于恒星墓地中的质量

该图片分别显示了由电磁观测器捕捉到的黑洞(紫色)和中子星(黄色)以及由引力波观测器监测到的黑洞(蓝色)和中子星(橙色)的质量。

由黑洞以及另一个拥有将近2.6倍太阳质量的未知天体(非中子星即黑洞)合并而成的并合天体GW190814已被突出标记在图片中央。该图片经由LIGO-Virgo,西北大学,Frank Elavsky & Aaron Geller联合提供。

当LIGO和Virgo的科学家们观测到该并合天体时,他们便立即向天文学界发出了告警。大量的地面及空间望远镜随即跟进投入到搜寻该事件产生的光波中,却一无所获。迄今为止,像这样与引力波信号相当的光波仅仅只在GW170817事件中被观测到过一次。由LIGO-Virgo天文观测网在2017年8月发现的GW170817事件中,两颗中子星发生了激烈的碰撞,并随后被大量地球及太空望远镜观测到。中子星碰撞的场面是很混乱的,物质会向四面八方飞抛,人们也因此推测这会产生光亮。而相反地,在大多数情况下,黑洞的合并被认为并不会产生光波。

根据LIGO和Virgo的科学家们的解释,2019年8月的事件之所以没有被光学望远镜观测到,存在几个可能的原因。一,这次事件发生在2017年发现的大碰撞6倍远的地方,使得它更难被捕捉到光波信号;二,如果这次的碰撞是由两个黑洞发生的,那么它很可能并不会产生任何光亮;三,如果该并合天体实际上是一颗中子星,那么有9个它那么大的黑洞很可能将它整个吞噬,而被黑洞整个吞噬的中子星便不会发出任何光亮。Kalogera解释道:这让我想到吃豆人吞吃豆豆的画面。当两者质量高度不对称时,较小的中子星便会被一口吞掉。

这是艺术家设想的黑洞/中子星双星系统。这幅图片展示了一颗中子星(前)正绕着一个更大的黑洞(后)旋转。在图片中,黑洞显得高远飘渺,同时从中子星的堆积物中展现出引力透镜的畸变效果。GW190814中黑洞的伴“星”究竟是黑洞还是中子星还不得而知。

图片来源:Carl Knox (OzGrav)和LIGO-处女座天文台

研究人员怎么才能知道这个神秘物体到底是中子星还是黑洞呢?通过LIGO、室女座和其他望远镜可以也会发现同样的事情,这将有助于揭示在质量间隙中是否存在其他的物体。Charlie Hoy是卡迪夫大学的一名研究生,也是LIGO科学合作小组中的一名成员,他说:这是我们第一次看到全新的紧凑型二进制物体种群。真正令人兴奋的是,这仅仅是发现的开始。探测器在这之后会越来越敏感,我们之后将观察到更多这样的信号,我们也因此能够确定宇宙中中子星和黑洞的数量。

Pedro Marronetti, 国家科学基金会的(NSF)的引力物理学项目主任说:“几十年来,质量差距一直是一个有趣的难题,现在我们已经发现了一个安安合适的物体。我们必须遵循现如今对极密物质和恒星演化的理解才能解释此事。这次研究其实是又一个引力物理学中对天体演化潜能的进一步认知,使我们对接下来的检测能更深入的理解。”

BBC科学新闻报导了我们LIGO处女座对GW190814的发现:这一神秘天体究竟是黑洞还是中子星?还是“黑中子星”?(这一天体类型,我们知之甚少,但听上去还蛮朗朗上口的!)

结语:科学界因LIGO-处女座天文台的全新发现——一个夹在黑洞和中子星之间的质量空隙,而炸开了锅。

相关知识

激光干涉引力波天文台,是一个用于探测宇宙中引力波、发展引力波探测的天文、物理仪器。有两个大型天文台坐落于美国,他们的任务是用激光干涉技术探测引力波。这些仪器可以探测到4公里内小于质子电荷直径的万分之一镜间距的变化。

最初的LIGO天文台由国家科学基金会创办,并由麻省理工大学和加州理工大学联合运作。他们收集了从2002年到2010年的数据,可一次引力波都没有探测到。

作者:EarthSky Voices

FY:Astronomical volunteer team

如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

相关文章