黑洞-中子星合並藝術圖（圖片來源：Carl Knox, OzGrav - Swinburne University）

繼雙黑洞合並、雙中子星合並之後，人類終於(yu) 首次探測到了黑洞-中子星合並事件。人類具有引力波探測能力不過6年時間，而它給人類帶來的科學成果，已經遠遠超出了我們(men) 的想象。

編譯｜王昱 李詩源

審校｜吳非

6月29日，在一篇發表在《天體(ti) 物理學雜誌快報》的論文中，來自美國LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA的天文學家公布了他們(men) 的合作成果。在LIGO和Virgo的第三輪運行（被稱為(wei) O3b）中，天文學家接連發現了兩(liang) 例來自黑洞-中子星合並的引力波事件——GW200105和GW200115。

來自GW200105的引力波信號（視頻來源：MAYA Collaboration）

相距10天的觀測

2020年1月5日，LIGO首先探測到了GW200105。LIGO在美國路易斯安那州和華盛頓州分別有兩(liang) 個(ge) 觀測台站，不巧的是，當天位於(yu) 華盛頓州的探測器正在下線維護，因此隻有位於(yu) 路易斯安那州的探測器探測到了這次引力波事件。此外，Virgo探測器雖然也在觀測，但是此次引力波事件對Virgo探測器來說太弱，難以從(cong) 噪聲中分離出來。對來自單個(ge) LIGO探測器的數據展開分析後，研究團隊確認這一引力波信號是由一個(ge) 8.9倍太陽質量的黑洞和一個(ge) 1.9倍太陽質量的天體(ti) 合並產(chan) 生的。最終，天文學家確認這個(ge) 1.9倍太陽質量的天體(ti) 是一顆中子星，此次合並發生在9億(yi) 光年之外。

但是，由於(yu) 隻有一個(ge) 探測器檢測到了GW200105的信號，如同隻有一隻耳朵接收到聲音信號，天文學家難以精確定位引力波的來源。他們(men) 隻能大致判斷信號來源的範圍——占據全天的17%，大約相當於(yu) 34 000個(ge) 滿月所占的麵積。

好在，僅(jin) 僅(jin) 10天之後，GW200105信號的遺憾就得到了彌補。1月15日，全部三個(ge) 大型引力波探測器——兩(liang) 個(ge) LIGO探測器和Virgo探測器——都探測到了被命名為(wei) GW200115的引力波信號。進一步的分析顯示，這個(ge) 引力波信號來自一次10億(yi) 光年外的黑洞-中子星合並事件，事件的主角分別是一個(ge) 5.7倍太陽質量的黑洞，以及一個(ge) 1.5倍太陽質量的中子星。同時，由於(yu) 這三個(ge) 探測器距離較遠，科學家能比較精確地判斷引力波來源於(yu) 哪些方向。最終，天文學家劃定了信號可能的來源範圍——相當於(yu) 2900個(ge) 滿月的麵積。

盡管在這兩(liang) 次觀測之後，天文學家立即對相應目標區域進行了多波段觀測，但在所有波段上都沒有觀測到來自這兩(liang) 個(ge) 事件的電磁波，這與(yu) 引力波觀測結果相符合。當中子星靠近黑洞時，理論上它會(hui) 被潮汐力撕裂，從(cong) 而產(chan) 生一陣閃光。但是在觀測到的這兩(liang) 個(ge) 事件中，黑洞的質量都比中子星大得多，黑洞可以一次性把中子星整個(ge) “吞下”，不留下任何痕跡。

天文觀測新窗口

自從(cong) 2015年人類首次探測到引力波以來，它就成為(wei) 了人類了解宇宙的新窗口。如果說以往人類是在用電磁波“看”宇宙的話，引力波探測技術則像是給了人類“聽”見宇宙的能力。GW150914讓人類首次發現了雙黑洞合並事件，GW170817則讓人類探測到了雙中子星合並事件，3位主導引力波探測計劃的物理學家也被授予了諾貝爾物理學獎。到今天，人類通過引力波確認的黑洞數量已經超越了以往任何一種手段所發現的。人類有能力統計這些恒星墓地的質量分布，甚至找到了一絲(si) 破解中等質量黑洞之謎的方法。

圖片結果截至2020年（圖片來源：LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern）

不過，在致密天體(ti) 合並的拚圖中，中子星和黑洞的合並一直是缺失的一塊。此前，LIGO-Virgo網絡還發現有兩(liang) 例黑洞-中子星合並的候選體(ti) ：GW190814是由一個(ge) 23倍太陽質量黑洞和一個(ge) 2.6倍太陽質量天體(ti) 合並產(chan) 生的，該天體(ti) 可能是已知最重的中子星，也可能是已知最輕的黑洞；GW190426可能來源於(yu) 黑洞-中子星合並，但也可能是探測器噪聲的結果。

GW200105和GW200115的來源則很確定，它就是黑洞-中子星合並的結果。“湊齊這張拚圖至關(guan) 重要，它能告訴我們(men) 在致密天體(ti) 形成和雙星演化的物理模型中，哪種天體(ti) 占多數，而這一問題的本質是對中子星和黑洞相互合並率的預測。通過這些探測，我們(men) 最終測量了所有三類雙星的合並率。”美國西北大學的研究生蔡斯·金博爾（Chase Kimball）說，他是這篇論文的合著者。

由於(yu) 兩(liang) 次合並事件在10天之內(nei) 接連發生，天文學家也能對此類合並事件發生的頻率做出估計。盡管還有很多合並事件沒有被檢測到，但天文學家估計在10億(yi) 光年內(nei) ，大約每個(ge) 月都會(hui) 發生一起黑洞-中子星合並事件。

至於(yu) 兩(liang) 個(ge) 黑洞-中子星雙星係統是從(cong) 何而來的，天文學家們(men) 則有不同的猜想。一種假說認為(wei) ，這種係統是由一對恒星相互繞轉的係統演化而來。在這一係統到達演化末期時，其中一顆恒星會(hui) 變成黑洞，另一顆則變成中子星，但它們(men) 仍然保持相互繞轉，直到兩(liang) 者合並。而另一種假說則認為(wei) 這是一個(ge) 動態的過程，兩(liang) 個(ge) 天體(ti) 在致密星區中分別獨立形成，隨後它們(men) 組成雙星並且合並。

未來

“我們(men) 現在已經探測到了黑洞和中子星合並的首批案例，我們(men) 能確定宇宙中存在這種現象。但是關(guan) 於(yu) 中子星和黑洞，還有太多太多的未知之謎——它們(men) 的半徑能在什麽(me) 範圍內(nei) 變化？它們(men) 的自轉速率能有多快？它們(men) 如何成為(wei) 雙星並最終合並？在未來引力波數據的幫助下，我們(men) 的統計結果將能回答這些問題。最終，我們(men) 將理解這些宇宙中最極端的天體(ti) 是如何產(chan) 生的。”LIGO科學合作組織成員，美國西北大學的馬婭·菲什巴赫（Maya Fishbach）說，她是這篇論文的合著者之一。

值得一提的是，本次參與(yu) 論文署名的KAGRA並沒有參與(yu) 數據采集。KAGRA在2019年完成建設，2020年2月參與(yu) 數據采集，那時正是O3b運行的最後階段。KAGRA科學合作組織由來自14個(ge) 國家和地區的超過470名會(hui) 員組成。目前，KAGRA已經加入了LIGO和Virgo組成的引力波探測網絡，人類的引力波探測能力也得到了相應的提升。

KAGRA鳥瞰圖（圖片來源：KAGRA）

現在，這些引力波團隊正在對儀(yi) 器進行維護升級，為(wei) 2022年夏天開始的第四輪觀測做準備。未來，引力波還會(hui) 給人類哪些驚喜，讓我們(men) 拭目以待。

參考論文：

參考鏈接：

《環球科學》


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