科學界正在熱議 LIGO-Virgo合作 的一項新發現。在中子星和黑洞間所謂的“質量間隙”中發現了一個新物體。

2019年8月，LIGO-Virgo 引力波網絡目擊了一個質量是太陽23倍的黑洞與一個質量是太陽2.6倍的神祕物體的合併。科學家們不知道這一神祕物體是否是一顆中子星或者黑洞，但是無論如何這都是一項記錄，作爲已知最重的中子星……或者是已知最輕的黑洞。

圖源：激光干涉引力波觀測臺(LIGO)/加州理工學院(Caltech) /麻省理工學院(MIT)/R.Hurt(IPAC)。

當質量最大的恆星們死亡時，它們在自身引力的作用下坍縮、剩下黑洞；質量較小些的恆星死亡時，它們經歷超新星爆發，留下緻密的、死亡的恆星殘骸，即中子星。數十年來，天文學家被中子星和黑洞間的空隙所困擾：已知最重的中子星不超過太陽質量的2.5倍，或者說2.5倍太陽質量，已知最輕的黑洞大約是5倍太陽質量。問題還是存在：這一所謂的質量差距中是否有什麼東西存在。

目前，在LIGO和歐洲的Virgo探測器的一項新研究中，科學家們發現了一個質量爲太陽2.6倍的物體，將它牢牢地固定於質量間隙（mass gap，是楊-米爾斯理論中的質量間隙假說）中。該天體發現於2019年8月14日，當時它與一個質量爲太陽23倍的黑洞合併，LIGO與Virgo檢測到了其產生的引力波。2020年6月23日，一篇關於此次探測的論文發表於《天體物理學通訊》上。

來自西北大學的維姬·卡羅基拉教授談到：爲了解開這個謎，我們已經等了幾十年，我們並不清楚該物體是否是已知最重的中子星還是最輕的黑洞，但不管怎樣它的發現確實打破了記錄。

共同作者，來自威斯康星大學的帕特里克·布雷迪教授，密爾沃基，以及LIGO的發言人，談到：這將改變科學家們研究中子星和黑洞的方式，質量間隙可能根本不存在，也可能是觀測能力有限所致，時間和更多的觀測研究會幫助我們揭開謎團。它是中子星？還是黑洞？這個神祕的2.6倍太陽質量的天體究竟是何物？

研究中描述的合併，在編號GW190814的事件中，最終產生了比太陽質量重25倍的黑洞（一些被合併的質量轉變成了引力波源形式的的能量）。新形式的黑洞坐落於距地球80億光年的地方。

在兩個物體合併前，他們被因素9改變，使質量最大比作爲引力波被知曉。最近另一個被報道的LIGO-Virgo事件，編號GW190412.此件事件在兩個黑洞的質量比達到4：1的時候發生。

Kalogera解釋道：具有大質量比的一對緊密物體，小質量的坐落在質量間隙裏。以當前的理論體系來匹配這個情況，是個挑戰。這項發現表明這些合併事件遠比我們預測的要多，使得這個成爲了小質量物體。

此神祕的物體可能是中子星和黑洞合併而成，這根據理論是一個激動人心的可能性，但是至今仍沒有得到明確的驗證。然而，它以2.6倍太陽重量，使得現代的對於中子星最大質量的預測進步了，並且可能不是迄今爲止能探測到的最亮黑洞。

＊Virgo: Virgo interferometer，室女座干涉儀，位於意大利

一未知天體由LIGO及Virgo在質量間隙中發現

存在於恆星墓地中的質量

該圖片分別顯示了由電磁觀測器捕捉到的黑洞（紫色）和中子星（黃色）以及由引力波觀測器監測到的黑洞（藍色）和中子星（橙色）的質量。

由黑洞以及另一個擁有將近2.6倍太陽質量的未知天體（非中子星即黑洞）合併而成的併合天體GW190814已被突出標記在圖片中央。該圖片經由LIGO-Virgo，西北大學，Frank Elavsky & Aaron Geller聯合提供。

當LIGO和Virgo的科學家們觀測到該併合天體時，他們便立即向天文學界發出了告警。大量的地面及空間望遠鏡隨即跟進投入到搜尋該事件產生的光波中，卻一無所獲。迄今爲止，像這樣與引力波信號相當的光波僅僅只在GW170817事件中被觀測到過一次。由LIGO-Virgo天文觀測網在2017年8月發現的GW170817事件中，兩顆中子星發生了激烈的碰撞，並隨後被大量地球及太空望遠鏡觀測到。中子星碰撞的場面是很混亂的，物質會向四面八方飛拋，人們也因此推測這會產生光亮。而相反地，在大多數情況下，黑洞的合併被認爲並不會產生光波。

根據LIGO和Virgo的科學家們的解釋，2019年8月的事件之所以沒有被光學望遠鏡觀測到，存在幾個可能的原因。一，這次事件發生在2017年發現的大碰撞6倍遠的地方，使得它更難被捕捉到光波信號；二，如果這次的碰撞是由兩個黑洞發生的，那麼它很可能並不會產生任何光亮；三，如果該併合天體實際上是一顆中子星，那麼有9個它那麼大的黑洞很可能將它整個吞噬，而被黑洞整個吞噬的中子星便不會發出任何光亮。Kalogera解釋道：這讓我想到喫豆人吞喫豆豆的畫面。當兩者質量高度不對稱時，較小的中子星便會被一口吞掉。

這是藝術家設想的黑洞/中子星雙星系統。這幅圖片展示了一顆中子星（前）正繞着一個更大的黑洞（後）旋轉。在圖片中，黑洞顯得高遠飄渺，同時從中子星的堆積物中展現出引力透鏡的畸變效果。GW190814中黑洞的伴“星”究竟是黑洞還是中子星還不得而知。

圖片來源：Carl Knox (OzGrav)和LIGO-處女座天文臺

研究人員怎麼才能知道這個神祕物體到底是中子星還是黑洞呢？通過LIGO、室女座和其他望遠鏡可以也會發現同樣的事情，這將有助於揭示在質量間隙中是否存在其他的物體。Charlie Hoy是卡迪夫大學的一名研究生，也是LIGO科學合作小組中的一名成員，他說：這是我們第一次看到全新的緊湊型二進制物體種羣。真正令人興奮的是，這僅僅是發現的開始。探測器在這之後會越來越敏感，我們之後將觀察到更多這樣的信號，我們也因此能夠確定宇宙中中子星和黑洞的數量。

Pedro Marronetti, 國家科學基金會的（NSF）的引力物理學項目主任說：“幾十年來，質量差距一直是一個有趣的難題，現在我們已經發現了一個安安合適的物體。我們必須遵循現如今對極密物質和恆星演化的理解才能解釋此事。這次研究其實是又一個引力物理學中對天體演化潛能的進一步認知，使我們對接下來的檢測能更深入的理解。”

BBC科學新聞報導了我們LIGO處女座對GW190814的發現：這一神祕天體究竟是黑洞還是中子星？還是“黑中子星”？（這一天體類型，我們知之甚少，但聽上去還蠻朗朗上口的！）

結語：科學界因LIGO-處女座天文臺的全新發現——一個夾在黑洞和中子星之間的質量空隙，而炸開了鍋。

相關知識

激光干涉引力波天文臺，是一個用於探測宇宙中引力波、發展引力波探測的天文、物理儀器。有兩個大型天文臺坐落於美國，他們的任務是用激光干涉技術探測引力波。這些儀器可以探測到4公里內小於質子電荷直徑的萬分之一鏡間距的變化。

最初的LIGO天文臺由國家科學基金會創辦，並由麻省理工大學和加州理工大學聯合運作。他們收集了從2002年到2010年的數據，可一次引力波都沒有探測到。

作者：EarthSky Voices

FY：Astronomical volunteer team

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