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又是引力波 发现致密双星并合最后一块“拼图”

来源:科技日报2021-07-13 10:03

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  遥望苍穹,看似平静,却也激流涌动,“眉目传情、暗送秋波”的现象在天文探测中时有发生。

  6月29日,一篇发表在《天体物理学杂志快报》的论文称,来自美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲室女座引力波天文台(Virgo)和日本引力波天文台(KAGRA)的天文学家接连发现了2例来自黑洞—中子星并合的引力波事件——GW200105和GW200115。

  所谓黑洞—双子星并合,即一个由黑洞和双子星构成的致密双星系统发生的并合事件。

  这是人类首次确认黑洞—中子星并合,至此,科学家通过引力波,找到了3种致密双星并合(双黑洞、双中子星和黑洞—中子星)的最后一块“拼图”。

  科学家是如何确定引力波来源的?引力波还能在哪些领域取得新的突破?带着这些疑问,科技日报记者采访了相关专家。

  姗姗来迟的黑洞—中子星并合

  “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。

  早在2015年9月14日,人类首次通过LIGO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,3名科学家因此获得了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,在对致密双星并合的探测中,只剩黑洞—中子星并合事件还未被发现。这次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探测成果,正好补齐了这最后一块“拼图”。

  “近年来,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。”北京师范大学珠海校区引力波与宇宙学实验室特聘研究员朱兴江博士介绍说,相对而言,黑洞—中子星并合或许没有双黑洞、双中子星并合出现的这么“频繁”,想要寻找更多黑洞—中子星并合,我们需要能够看得更远的探测器。

  黑洞—中子星并合为何是最后一个被探测到的?

  邹远川认为,可能有两个主要原因,一是该事件发生概率较低,即便发生了,其信号强度也比较弱,目前被探测到的绝大多数是双黑洞并合,就是因为其质量比中子星大几十倍,产生的信号也更强烈;二是巧合,双中子星并合的理论探测率也不高,目前只看到了两个,先于黑洞—中子星并合被发现,也可能是巧合。

  黑洞—中子星并合如此难以探寻,科学家是否能通过除引力波外的其他手段进行多方面的探测?“原则上,黑洞—中子星并合也会辐射电磁波,但在此次两个并合事件中,还没有探测到任何电磁波信号。”朱兴江说,这可能是因为它们距离地球太远且方位不清,电磁波信号难以被捕捉,抑或是因为黑洞的质量比中子星大很多,中子星或直接被黑洞吞噬,仅造成其附近时空的震颤,没有留下其他任何线索,以供我们进行探测。

  通过质量大小确定并合双方身份

  黑洞—中子星并合的“事发地”距离地球如此遥远,科学家又是通过什么方式确认两例引力波来自黑洞—中子星并合?邹远川说,科学家主要通过两个天体的质量来判断并合事件的类型,引力波的波形中就包含着并合天体的质量信息。

  理论上,中子星的质量上限(奥本海默极限)大致为3倍太阳质量,致密天体的质量超过该质量上限,就可以确定其为黑洞。

  这次探测到的引力波事件GW200105,为约9倍太阳质量和1.9倍太阳质量的致密天体并合产生,GW200115则是约6倍太阳质量和约1.5倍太阳质量的致密天体并合产生。

  两例引力波事件中,质量较大的天体为黑洞,质量较小的则被认为是中子星。为何会有这样的判断?“原则上,两个较小质量的天体也可能是黑洞,但因其质量与中子星一致,且以前并未发现质量如此小的黑洞,所以判断这两例引力波来自黑洞—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的物理过程都会产生引力波。

  邹远川介绍,目前,LIGO、Virgo和KAGRA主要探测频率约为十至几千赫兹的引力波。我国“天琴计划”“太极计划”等为空间引力波探测计划,主要探测毫赫兹左右的引力波。此外,更低频的、约1纳赫兹的引力波,主要以脉冲计时阵的方式进行探测。

  “不少引力波的信号特征都与我们日常生活中出现的声音相似。”朱兴江说,引力波随机背景信号类似收音机播放的噪声,旋转中子星的信号则是一个单频的连续信号,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。

  黑洞—脉冲星系统或将被发现

  邹远川介绍,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,这符合目前观测到的两例引力波事件;若黑洞质量较小,则在潮汐力撕裂并合中子星的时候,其中部分中子物质会被抛射出去,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探测“新大陆”。

  朱兴江认为:“这次观测成果证实了黑洞—中子星双星系统或在宇宙中广泛存在,银河系内的黑洞—脉冲星系统也许很快将会被发现。”

  在邹远川看来,更长远的突破是地面引力波探测设备的进一步升级,能观测到越来越多宇宙中正在发生的致密双星并合事件,为人类了解恒星,特别是双星的演化提供绝佳手段。

  同时,我国“天琴计划”“太极计划”等实施后,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,可监测致密双星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,让传统望远镜提前观测,将引力波和电磁信号进行联合,让人类全面了解中子星和黑洞的本质等。(吴纯新 刘志伟)

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