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人类首见:黑洞吞下宇宙最致密物质

时间:2019-08-21|栏目: 天文 • 物理 |点击:1

    人类首见:黑洞吞下宇宙最致密物质

    图片来源:Carl Knox,OzGrav ARC Centre of Excellence

    大约8.7亿年前,两颗死亡的恒星相遇。这次激烈的碰撞激起一阵时空涟漪,以引力波的形式向宇宙各处传播。上周三,位于美国的LIGO和意大利的Virgo引力波探测器同时捕捉到这个来自遥远星空的信号。21秒后,全球天文学家的手机与电脑收到系统发送的消息。人类,首次观测到黑洞与中子星并合产生的引力波信号。

    来源 | 科学美国人

    撰文 | Charlie Wood

    编译 | 吴非

    北京时间8月15日5时11分18秒,位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利的Virgo引力波探测器同时观测到一组引力波信号。

    2015年9月,LIGO首次观测到两个黑洞碰撞产生的引力波信号。消息在次年公布后,成为年度最重磅的科学新闻,三位贡献巨大的物理学家也在2017年迅速摘得诺奖。第一组引力波信号横空出世后,LIGO与Virgo的探测走上了正轨,新的引力波信号不断出现。2017年,它们还首次观测到两颗中子星并合产生的引力波信号。截至目前,LIGO-Virgo已经探测到了十余次来自黑洞,以及两次源自中子星的并合事件。

    但是,当最新的观测数据出现在天文学家的面前时,他们却大吃一惊。这一次,LIGO和Virgo为他们找到了前所未见的现象。

    “当我看到数据,我的下巴都吓掉了。”LIGO团队成员,加州州立大学富尔顿分校的Geoffrey Lovelace说。

    由于发生碰撞的两个天体质量较轻,系统最初无法识别出天体的种类。为此,天文学家不得不寻找伴随这一事件的电磁信号,因为电磁信号只在中子星参与时出现。随后的分析指出,这次的信号是由黑洞和中子星间的碰撞产生的。

    这是科学家首次观测到此类现象,也是继黑洞-黑洞碰撞、中子星-中子星碰撞之后,科学家通过引力波信号探测到的第三类天体碰撞事件。如果这一结论最终得到确认,这起名为S190814bv的事件,将使得天文学研究进入全新的纪元:将为科学家理解广义相对论、恒星死亡与神秘天体提供全新的视野。

    出人意料的信号

    Chad Hanna是宾州州立大学的天体物理学家,他也是LIGO团队的成员,负责为LIGO探测到的事件进行快速分类。Hanna说,事件发生时,“我立即意识到,这是非常重要的信号。”

    根据引力波信号的形态、时长等即时特征,研究团队在20秒之内,就能根据算法分辨出每一次碰撞的类型,这样天文学家能迅速将天文望远镜对准信号出现的天区。很快,全球的科学家开始了接力观测。很快,美国科学家确认,这极有可能是一次源自黑洞与中子星的并合事件。

    人类首见:黑洞吞下宇宙最致密物质

    黑洞吞噬中子星的艺术图。(图片来源:Dana Berry NASA)

    今年4月,LIGO-Virgo就捕捉到一次类似的信号,但当时科学家并不能确定这一信号来自深空。模型显示,该事件有七分之一的可能性是来自地面的假信号。换句话说,这样的“假信号”每20个月会出现一次。

    相比之下,最新的信号则要“靠谱”得多。天文学家确认,上周最新捕捉到的信号来自宇宙天体并合的置信度超过了99%。也就是说,如果这是假信号,那么这将是1000亿年一遇的假信号。Lovelace说:“当这一数字远远超出宇宙的年龄,你知道它一定是真实的。”

    不过,尽管S190814bv的置信度如此之高,但目前科学家仍不敢断言,此次碰撞的双方一定是黑洞与中子星。一个重要的隐患,是其中一颗天体的质量。根据现有的数据,所有黑洞的质量都在5个太阳质量以上,而所有中子星都不超过3个太阳质量。

    而在最新的碰撞事件中,一个天体可以确定落在黑洞的质量范畴中,但较轻的天体却处在一个尴尬的模糊地带。根据初步观测数据,这颗天体的质量略大于3个太阳质量。如果进一步的观测证实其质量在1~2个太阳质量之间,那么可以确定这是一次中子星与黑洞的碰撞事件;但如果仍旧接近3个太阳质量,就有可能需要改写中子星与黑洞的质量界线。

    接下来,LIGO-Virgo团队需要利用当今最强大的模型来检测此次信号。由于模型过于复杂,他们不可能在短时间内就得出结论。值得注意的是,当前的理论模型主要是基于两个质量相近的天体的碰撞。但在最新的事件中,两个天体的质量相差很大。因此,在应用先前的模型时,科学家需要格外谨慎。

    黑洞如何吞下中子星

    最初,LIGO两台探测器中的一台与Virgo共同发现了该信号;第二天,科学家从LIGO另一台探测器中手动得到了数据。来自三台探测器的数据能让科学家更精确地定位事件发生的位置。

    精确的定位将信号来源限制在相当于天图面积0.06%的狭小区域。在这里,天文学家可以尽情寻找可能伴随中子星死亡的伽马射线与可见光。“理论上,覆盖这片区域是很快的。”美国布兰迪斯大学的宇宙学家Marcelle Soares-Santos说。

    黑洞与中子星相遇的画面是怎样的?没有人能给出确切的答案,但天文学家预测了两种可能的结局:或许,黑洞巨大的引力将中子星撕碎,后者只余下发光的遗骸,一步步被黑洞吞噬,光芒逐渐变得黯淡,直至消失殆尽。另一种可能性是,我们什么都看不见,因为黑洞一口气就将整个中子星吞下。

    目前,LIGO-Virgo的模拟倾向于第二种假说,但并无定论。而第一次观测,即使什么都没有看见,也能为揭开这个谜题提供有用的信息。“如果没有相伴的电磁辐射,将对现有的理论造成巨大冲击。”Soares-Santos说。

    探索中子态

    对于物理学家而言,发现黑洞-中子星的并合有着重要意义。

    首先,这项发现将帮助科学家认识神秘天体——中子星。中子星内部含有宇宙中最致密的物质(黑洞并不是物质,而是极端弯曲的时空),但物理学家对其内部结构知之甚少。而中子星的内部构成,与其密度、体积等特征相关。例如,如果中子星中的物质以基本粒子的等离子体形式存在,那么特定质量的中子星体积应该更小。

    此次观测到的引力波的精细结构、能否观测到闪光,都将帮助物理学家限制中子星的体积与密度。“对于核物理学家而言,此次观测如同圣杯。”加州大学伯克利分校的博士后Ben Margalit说。

    黑洞吞噬中子星的事件,也可以为在极端条件下验证广义相对论提供绝佳的场所。此前,物理学家尝试在黑洞周围这样引力极强的环境下检验广义相对论。这样的尝试已经足够困难,而现在,加上高温、动荡、磁化的中子星物质(中子态),将进一步提升验证广义相对论的挑战性。

    退一万步说,即使上周观测到的时空涟漪没能直接帮助我们解释上述问题,研究人员也相信,它是一系列类似观测的开端。从今天开始,一扇研究宇宙物理的门正徐徐打开。

    原始链接:

    https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-spy-a-black-hole-devouring-a-neutron-star/

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