大約8.7億年前，兩顆死亡的恒星相遇。這次激烈的碰撞激起一陣時空漣漪，以引力波的形式向宇宙各處傳播。上周三，位于美國的LIGO和意大利的Virgo引力波探測器同時捕捉到這個來自遙遠星空的信號。21秒后，全球天文學家的手機與電腦收到系統(tǒng)發(fā)送的消息。人類，首次觀測到黑洞與中子星并合產(chǎn)生的引力波信號。
來源 | 科學美國人
撰文 | Charlie Wood
編譯 | 吳非
北京時間8月15日5時11分18秒，位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）和意大利的Virgo引力波探測器同時觀測到一組引力波信號。
2015年9月，LIGO首次觀測到兩個黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波信號。消息在次年公布后，成為年度最重磅的科學新聞，三位貢獻巨大的物理學家也在2017年迅速摘得諾獎。第一組引力波信號橫空出世后，LIGO與Virgo的探測走上了正軌，新的引力波信號不斷出現(xiàn)。2017年，它們還首次觀測到兩顆中子星并合產(chǎn)生的引力波信號。截至目前，LIGO-Virgo已經(jīng)探測到了十余次來自黑洞，以及兩次源自中子星的并合事件。
但是，當最新的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)在天文學家的面前時，他們卻大吃一驚。這一次，LIGO和Virgo為他們找到了前所未見的現(xiàn)象。
“當我看到數(shù)據(jù)，我的下巴都嚇掉了?！盠IGO團隊成員，加州州立大學富爾頓分校的Geoffrey Lovelace說。
由于發(fā)生碰撞的兩個天體質(zhì)量較輕，系統(tǒng)最初無法識別出天體的種類。為此，天文學家不得不尋找伴隨這一事件的電磁信號，因為電磁信號只在中子星參與時出現(xiàn)。隨后的分析指出，這次的信號是由黑洞和中子星間的碰撞產(chǎn)生的。
這是科學家首次觀測到此類現(xiàn)象，也是繼黑洞-黑洞碰撞、中子星-中子星碰撞之后，科學家通過引力波信號探測到的第三類天體碰撞事件。如果這一結(jié)論最終得到確認，這起名為S190814bv的事件，將使得天文學研究進入全新的紀元：將為科學家理解廣義相對論、恒星死亡與神秘天體提供全新的視野。
出人意料的信號
Chad Hanna是賓州州立大學的天體物理學家，他也是LIGO團隊的成員，負責為LIGO探測到的事件進行快速分類。Hanna說，事件發(fā)生時，“我立即意識到，這是非常重要的信號?！?/p>
根據(jù)引力波信號的形態(tài)、時長等即時特征，研究團隊在20秒之內(nèi)，就能根據(jù)算法分辨出每一次碰撞的類型，這樣天文學家能迅速將天文望遠鏡對準信號出現(xiàn)的天區(qū)。很快，全球的科學家開始了接力觀測。很快，美國科學家確認，這極有可能是一次源自黑洞與中子星的并合事件。
圖片來源：Carl Knox, OzGrav ARC Centre of Excellence
今年4月，LIGO-Virgo就捕捉到一次類似的信號，但當時科學家并不能確定這一信號來自深空。模型顯示，該事件有七分之一的可能性是來自地面的假信號。換句話說，這樣的“假信號”每20個月會出現(xiàn)一次。
相比之下，最新的信號則要“靠譜”得多。天文學家確認，上周最新捕捉到的信號來自宇宙天體并合的置信度超過了99%。也就是說，如果這是假信號，那么這將是1000億年一遇的假信號。Lovelace說：“當這一數(shù)字遠遠超出宇宙的年齡，你知道它一定是真實的。”
不過，盡管S190814bv的置信度如此之高，但目前科學家仍不敢斷言，此次碰撞的雙方一定是黑洞與中子星。一個重要的隱患，是其中一顆天體的質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，所有黑洞的質(zhì)量都在5個太陽質(zhì)量以上，而所有中子星都不超過3個太陽質(zhì)量。
而在最新的碰撞事件中，一個天體可以確定落在黑洞的質(zhì)量范疇中，但較輕的天體卻處在一個尷尬的模糊地帶。根據(jù)初步觀測數(shù)據(jù)，這顆天體的質(zhì)量略大于3個太陽質(zhì)量。如果進一步的觀測證實其質(zhì)量在1~2個太陽質(zhì)量之間，那么可以確定這是一次中子星與黑洞的碰撞事件；但如果仍舊接近3個太陽質(zhì)量，就有可能需要改寫中子星與黑洞的質(zhì)量界線。
接下來，LIGO-Virgo團隊需要利用當今最強大的模型來檢測此次信號。由于模型過于復雜，他們不可能在短時間內(nèi)就得出結(jié)論。值得注意的是，當前的理論模型主要是基于兩個質(zhì)量相近的天體的碰撞。但在最新的事件中，兩個天體的質(zhì)量相差很大。因此，在應用先前的模型時，科學家需要格外謹慎。
黑洞如何吞下中子星
最初，LIGO兩臺探測器中的一臺與Virgo共同發(fā)現(xiàn)了該信號；第二天，科學家從LIGO另一臺探測器中手動得到了數(shù)據(jù)。來自三臺探測器的數(shù)據(jù)能讓科學家更精確地定位事件發(fā)生的位置。
精確的定位將信號來源限制在相當于天圖面積0.06%的狹小區(qū)域。在這里，天文學家可以盡情尋找可能伴隨中子星死亡的伽馬射線與可見光?！袄碚撋?，覆蓋這片區(qū)域是很快的?！泵绹继m迪斯大學的宇宙學家Marcelle Soares-Santos說。
黑洞與中子星相遇的畫面是怎樣的？沒有人能給出確切的答案，但天文學家預測了兩種可能的結(jié)局：或許，黑洞巨大的引力將中子星撕碎，后者只余下發(fā)光的遺骸，一步步被黑洞吞噬，光芒逐漸變得黯淡，直至消失殆盡。另一種可能性是，我們什么都看不見，因為黑洞一口氣就將整個中子星吞下。
目前，LIGO-Virgo的模擬傾向于第二種假說，但并無定論。而第一次觀測，即使什么都沒有看見，也能為揭開這個謎題提供有用的信息。“如果沒有相伴的電磁輻射，將對現(xiàn)有的理論造成巨大沖擊?！盨oares-Santos說。
探索中子態(tài)
對于物理學家而言，發(fā)現(xiàn)黑洞-中子星的并合有著重要意義。
首先，這項發(fā)現(xiàn)將幫助科學家認識神秘天體——中子星。中子星內(nèi)部含有宇宙中最致密的物質(zhì)（黑洞并不是物質(zhì)，而是極端彎曲的時空），但物理學家對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)知之甚少。而中子星的內(nèi)部構(gòu)成，與其密度、體積等特征相關(guān)。例如，如果中子星中的物質(zhì)以基本粒子的等離子體形式存在，那么特定質(zhì)量的中子星體積應該更小。
此次觀測到的引力波的精細結(jié)構(gòu)、能否觀測到閃光，都將幫助物理學家限制中子星的體積與密度?！皩τ诤宋锢韺W家而言，此次觀測如同圣杯?！奔又荽髮W伯克利分校的博士后Ben Margalit說。
黑洞吞噬中子星的事件，也可以為在極端條件下驗證廣義相對論提供絕佳的場所。此前，物理學家嘗試在黑洞周圍這樣引力極強的環(huán)境下檢驗廣義相對論。這樣的嘗試已經(jīng)足夠困難，而現(xiàn)在，加上高溫、動蕩、磁化的中子星物質(zhì)（中子態(tài)），將進一步提升驗證廣義相對論的挑戰(zhàn)性。
退一萬步說，即使上周觀測到的時空漣漪沒能直接幫助我們解釋上述問題，研究人員也相信，它是一系列類似觀測的開端。從今天開始，一扇研究宇宙物理的正徐徐打開。
原始鏈接：
https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-spy-a-black-hole-devouring-a-neutron-star/
