引力波再立大功!人类首次确认黑洞-中子星合并事件

2021-06-30 查看(976)

继双黑洞合并、双中子星合并之后,人类终于首次探测到了黑洞-中子星合并事件。人类具有引力波探测能力不过6年时间,而它给人类带来的科学成果,已经远远超出了我们的想象。

  6月29日,在一篇发表在《天体物理学杂志快报》的论文中,来自美国LIGO、欧洲Virgo和日本KAGRA的天文学家公布了他们的合作成果。在LIGO和Virgo的第三轮运行(被称为O3b)中,天文学家接连发现了两例来自黑洞-中子星合并的引力波事件——GW200105和GW200115。

  来自GW200105的引力波信号(视频来源:MAYA Collaboration)

  相距10天的观测

  2020年1月5日,LIGO首先探测到了GW200105。LIGO在美国路易斯安那州和华盛顿州分别有两个观测台站,不巧的是,当天位于华盛顿州的探测器正在下线维护,因此只有位于路易斯安那州的探测器探测到了这次引力波事件。此外,Virgo探测器虽然也在观测,但是此次引力波事件对Virgo探测器来说太弱,难以从噪声中分离出来。对来自单个LIGO探测器的数据展开分析后,研究团队确认这一引力波信号是由一个8.9倍太阳质量的黑洞和一个1.9倍太阳质量的天体合并产生的。最终,天文学家确认这个1.9倍太阳质量的天体是一颗中子星,此次合并发生在9亿光年之外。

  但是,由于只有一个探测器检测到了GW200105的信号,如同只有一只耳朵接收到声音信号,天文学家难以精确定位引力波的来源。他们只能大致判断信号来源的范围——占据全天的17%,大约相当于34 000个满月所占的面积。

  好在,仅仅10天之后,GW200105信号的遗憾就得到了弥补。1月15日,全部三个大型引力波探测器——两个LIGO探测器和Virgo探测器——都探测到了被命名为GW200115的引力波信号。进一步的分析显示,这个引力波信号来自一次10亿光年外的黑洞-中子星合并事件,事件的主角分别是一个5.7倍太阳质量的黑洞,以及一个1.5倍太阳质量的中子星。同时,由于这三个探测器距离较远,科学家能比较精确地判断引力波来源于哪些方向。最终,天文学家划定了信号可能的来源范围——相当于2900个满月的面积。

  尽管在这两次观测之后,天文学家立即对相应目标区域进行了多波段观测,但在所有波段上都没有观测到来自这两个事件的电磁波,这与引力波观测结果相符合。当中子星靠近黑洞时,理论上它会被潮汐力撕裂,从而产生一阵闪光。但是在观测到的这两个事件中,黑洞的质量都比中子星大得多,黑洞可以一次性把中子星整个“吞下”,不留下任何痕迹。

  天文观测新窗口

  自从2015年人类首次探测到引力波以来,它就成为了人类了解宇宙的新窗口。如果说以往人类是在用电磁波“看”宇宙的话,引力波探测技术则像是给了人类“听”见宇宙的能力。GW150914让人类首次发现了双黑洞合并事件,GW170817则让人类探测到了双中子星合并事件,3位主导引力波探测计划的物理学家也被授予了诺贝尔物理学奖。到今天,人类通过引力波确认的黑洞数量已经超越了以往任何一种手段所发现的。人类有能力统计这些恒星墓地的质量分布,甚至找到了一丝破解中等质量黑洞之谜的方法。

  不过,在致密天体合并的拼图中,中子星和黑洞的合并一直是缺失的一块。此前,LIGO-Virgo网络还发现有两例黑洞-中子星合并的候选体:GW190814是由一个23倍太阳质量黑洞和一个2.6倍太阳质量天体合并产生的,该天体可能是已知最重的中子星,也可能是已知最轻的黑洞;GW190426可能来源于黑洞-中子星合并,但也可能是探测器噪声的结果。

  GW200105和GW200115的来源则很确定,它就是黑洞-中子星合并的结果。“凑齐这张拼图至关重要,它能告诉我们在致密天体形成和双星演化的物理模型中,哪种天体占多数,而这一问题的本质是对中子星和黑洞相互合并率的预测。通过这些探测,我们最终测量了所有三类双星的合并率。”美国西北大学的研究生蔡斯·金博尔(Chase Kimball)说,他是这篇论文的合著者。

  由于两次合并事件在10天之内接连发生,天文学家也能对此类合并事件发生的频率做出估计。尽管还有很多合并事件没有被检测到,但天文学家估计在10亿光年内,大约每个月都会发生一起黑洞-中子星合并事件。

  至于两个黑洞-中子星双星系统是从何而来的,天文学家们则有不同的猜想。一种假说认为,这种系统是由一对恒星相互绕转的系统演化而来。在这一系统到达演化末期时,其中一颗恒星会变成黑洞,另一颗则变成中子星,但它们仍然保持相互绕转,直到两者合并。而另一种假说则认为这是一个动态的过程,两个天体在致密星区中分别独立形成,随后它们组成双星并且合并。

  未来

  “我们现在已经探测到了黑洞和中子星合并的首批案例,我们能确定宇宙中存在这种现象。但是关于中子星和黑洞,还有太多太多的未知之谜——它们的半径能在什么范围内变化?它们的自转速率能有多快?它们如何成为双星并最终合并?在未来引力波数据的帮助下,我们的统计结果将能回答这些问题。最终,我们将理解这些宇宙中最极端的天体是如何产生的。”LIGO科学合作组织成员,美国西北大学的马娅·菲什巴赫(Maya Fishbach)说,她是这篇论文的合著者之一。

  值得一提的是,本次参与论文署名的KAGRA并没有参与数据采集。KAGRA在2019年完成建设,2020年2月参与数据采集,那时正是O3b运行的最后阶段。KAGRA科学合作组织由来自14个国家和地区的超过470名会员组成。目前,KAGRA已经加入了LIGO和Virgo组成的引力波探测网络,人类的引力波探测能力也得到了相应的提升。

  现在,这些引力波团队正在对仪器进行维护升级,为2022年夏天开始的第四轮观测做准备。未来,引力波还会给人类哪些惊喜,让我们拭目以待。

  参考论文:

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

  参考链接:

  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

  本文转自环球科学


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