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“活捉”引力波 人类拼好三种致密双星并合“魔方”

2021-07-12 14:29:36 来源:科技日报

遥望星辰大海,看似静,却也激流涌动,“眉目传情、暗送秋波”现象在天文探测中时有发生。

6月29日,《天体物理学杂志快报》发表论文称,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的第三轮运行中,天文学家接连发现了两例来自黑洞-中子星并合的引力波事件——GW200105和GW200115。

这是人类首次确认黑洞-中子星并合。至此,通过“活捉”引力波,人类拼好了包括双黑洞和双中子星并合的三种致密双星并合“魔方”。

科学家如何确定引力波来源?此次发现有何特殊之处?引力波还能在哪些领域取得新突破?带着这些疑问,科技日报记者与天文研究专家对话,一同寻觅。

捕获引力波或是巧合

“对一个天体对象的探测,无非有两种方法:一个是引力,一个是电磁波。”华中科技大学物理学院教授邹远川说,首次探测到黑洞—中子星并合事件,或是巧合。

早在2015年9月14日,人类首次通过LIGO和Virgo发现了双黑洞并合产生的引力波, 这也是首次探测到引力波, 因此获得2017年诺贝尔物理学奖。

两年后,2017年8月17日, 科学家观测到双中子星并合产生的引力波, 同时也看到并合后抛出的中子物质间接产生的伽马射线,光学辐射等电磁信号。

邹远川介绍,至此,对致密双星并合的探测中,地面引力波探测器只剩黑洞-中子星并合事件未看到。这次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探测成果,正好完成了拼图.

年来,以LIGO为代表的引力波探测器,灵敏度稳步提升,这是人类发现黑洞-中子星并合事件的关键。”北京师范大学引力波与宇宙学实验室博士朱兴江介绍,相对而言,黑洞-中子星并合或许没有双黑洞、双中子星并合频繁,我们需要能看得更远的探测器去发现它们。

时隔四年,黑洞-中子星并合为何最后一个被探测到?

邹远川认为,主要原因有两个, 一是该事件发生率较低且信号强度比较弱, 目前被探测到的绝大多数是双黑洞并合, 其质量比中子星大几十倍,产生的信号强烈; 二是巧合, 如双中子星并合的理论探测率也不高, 目前一只看到了一个, 先于黑洞-中子星发现,也仅是巧合.

“黑洞-中子星并合原则上也会辐射电磁波,但在这两个并合事件中,没有探测到任何电磁波信号。”朱兴江说,可能是它们距离地球太远,且方位不清,难以捕捉,抑或是黑洞质量比中子星大很多,中子星直接被黑洞吞噬了,仅造成时空的震颤,没有留下其他任何痕迹。

质量决定身份

邹远川说,判断并合事件类型,主要以两个天体的质量来确定,引力波波形中包含并合天体的质量信息。

中子星质量上限, 称为奥本海默极限, 大致为三倍的太阳质量, 致密天体超过该质量可以确定为黑洞.

这次探测到的引力波事件GW200105,为约8.9倍太阳质量和1.9倍太阳质量致密天体并合, GW200115则是约5.9倍太阳质量和约1.4倍太阳质量致密天体并合。其中质量大的为黑洞, 质量小的被认为是中子星。

“原则上,两个更小质量的天体也可能是黑洞,但其质量与中子星一致,且以前并未发现如此轻的黑洞,所以判断是黑洞-中子星并合最为合适。”朱兴江介绍。

目前,地面引力波探测器发现的50余例引力波事件均来自两个致密天体的绕转和并合现象。

“引力波频率不同, 探测手段也不一样。”邹远川说,宇宙中的超新星爆发、中子星或白矮星非对称振动、宇宙深处超大质量双黑洞并合、 小黑洞围绕超大质量黑洞的旋进和宇宙早期一些剧烈物理过程都会产生引力波。

邹远川介绍,目前,LIGO、Virgo和KAGRA主要探测千赫兹的引力波。我国天琴计划、太极计划及欧洲的LISA计划为空间引力波探测计划, 主要探测毫赫兹附的引力波。此外,更低频的,约1纳赫兹引力波, 主要以脉冲计时整列的方式探测。

“不少信号特征,与我们日常生活中出现的声音相似。”朱兴江说,引力波信号随机背景类似收音机播放的噪声,旋转中子星的信号则是一个单频连续信号,超新星爆发的信号可能是一个短暂的爆炸声,两个致密天体绕转的信号或更像鸟叫声,科学家们形象地称之为啁啾信号。

“理论验证”开启探秘之门

“探测到黑洞-中子星并合事件 凑齐了三种致密双星并合的拼图, 符合理论预期。”邹远川如是说,GW200105和GW200115两个事件均未观测到电磁对应信号, 也和理论预期一致。

他介绍,黑洞-中子星并合有两种情形, 若黑洞质量比较大, 黑洞将直接吞噬中子星, 预期没有电磁辐射, 符合目前观测到的两个事例; 或是黑洞质量较小, 则通过潮汐力撕裂并合时候的中子星, 其中部分中子物质被抛射出去, 产生核合成及电磁辐射。

因此,伴有电磁辐射的黑洞-中子星并合事件是下一个值得期待的突破。

朱兴江认为,这次观测成果证实了包括银河系在内的黑洞-中子星双星系统,或在宇宙中广泛存在,“黑洞-脉冲星系统也许很快将被发现。”

在邹远川看来,更长远的突破是地面引力波探测设备进一步升级, 能观测到宇宙中所有正在发生并合的双致密星, 为人类了解恒星特别是双星的演化提供绝佳手段, 可以不受阻碍地知道宇宙中所有正在发生的某类事情。

同时,我国天琴计划、太极计划和欧洲LISA计划实施后, 将能观测到宇宙早期超大质量黑洞的并合, 为我们理解星系中心黑洞的成长历史提供直接证据。

“联合探测十分值得期待。”邹远川兴奋地说,把较低频的空间引力波探测和LIGO的千赫兹探测结合, 加上频率接收范围介于二者之间的探测器, 可监测双致密从互相绕转到最终并合的整个历史, 还能提前预报并合事件, 得以让传统望远镜提前观测, 将引力波和电磁信号进行联合, 让人类全面了解黑洞的本质等神秘现象。

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