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又是引力波 發現致密雙星并合最后一塊“拼圖”
不少引力波的信號特征都與我們日常生活中出現的聲音相似,引力波隨機背景信號類似收音機播放的噪聲,旋轉中子星的信號則是一個單頻的連續信號,超新星爆發的信號可能是一個短暫的爆炸聲,兩個致密天體繞轉的信號或更像鳥叫聲,科學家們形象地稱之為啁啾信號。
朱興江 北京師范大學珠海校區引力波與宇宙學實驗室特聘研究員
遙望蒼穹,看似平靜,卻也激流涌動,“眉目傳情、暗送秋波”的現象在天文探測中時有發生。
6月29日,一篇發表在《天體物理學雜志快報》的論文稱,來自美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)、歐洲室女座引力波天文臺(Virgo)和日本引力波天文臺(KAGRA)的天文學家接連發現了2例來自黑洞—中子星并合的引力波事件——GW200105和GW200115。
所謂黑洞—雙子星并合,即一個由黑洞和雙子星構成的致密雙星系統發生的并合事件。
這是人類首次確認黑洞—中子星并合,至此,科學家通過引力波,找到了3種致密雙星并合(雙黑洞、雙中子星和黑洞—中子星)的最后一塊“拼圖”。
科學家是如何確定引力波來源的?引力波還能在哪些領域取得新的突破?帶著這些疑問,科技日報記者采訪了相關專家。
姍姍來遲的黑洞—中子星并合
“對一個天體對象的探測,無非有兩種方法:一個是引力,一個是電磁波。”華中科技大學物理學院教授鄒遠川說。
早在2015年9月14日,人類首次通過LIGO發現了雙黑洞并合產生的引力波,這也是首次探測到引力波,3名科學家因此獲得了2017年諾貝爾物理學獎。
兩年后,2017年8月17日,科學家觀測到雙中子星并合產生的引力波,同時也看到并合后拋出的中子物質間接產生的伽馬射線、光學輻射等電磁信號。
鄒遠川介紹,至此,在對致密雙星并合的探測中,只剩黑洞—中子星并合事件還未被發現。這次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探測成果,正好補齊了這最后一塊“拼圖”。
“近年來,以LIGO為代表的引力波探測器,靈敏度穩步提升,這是人類發現黑洞—中子星并合事件的關鍵。”北京師范大學珠海校區引力波與宇宙學實驗室特聘研究員朱興江博士介紹說,相對而言,黑洞—中子星并合或許沒有雙黑洞、雙中子星并合出現的這么“頻繁”,想要尋找更多黑洞—中子星并合,我們需要能夠看得更遠的探測器。
黑洞—中子星并合為何是最后一個被探測到的?
鄒遠川認為,可能有兩個主要原因,一是該事件發生概率較低,即便發生了,其信號強度也比較弱,目前被探測到的絕大多數是雙黑洞并合,就是因為其質量比中子星大幾十倍,產生的信號也更強烈;二是巧合,雙中子星并合的理論探測率也不高,目前只看到了兩個,先于黑洞—中子星并合被發現,也可能是巧合。
黑洞—中子星并合如此難以探尋,科學家是否能通過除引力波外的其他手段進行多方面的探測?“原則上,黑洞—中子星并合也會輻射電磁波,但在此次兩個并合事件中,還沒有探測到任何電磁波信號。”朱興江說,這可能是因為它們距離地球太遠且方位不清,電磁波信號難以被捕捉,抑或是因為黑洞的質量比中子星大很多,中子星或直接被黑洞吞噬,僅造成其附近時空的震顫,沒有留下其他任何線索,以供我們進行探測。
通過質量大小確定并合雙方身份
黑洞—中子星并合的“事發地”距離地球如此遙遠,科學家又是通過什么方式確認兩例引力波來自黑洞—中子星并合?鄒遠川說,科學家主要通過兩個天體的質量來判斷并合事件的類型,引力波的波形中就包含著并合天體的質量信息。
理論上,中子星的質量上限(奧本海默極限)大致為3倍太陽質量,致密天體的質量超過該質量上限,就可以確定其為黑洞。
這次探測到的引力波事件GW200105,為約9倍太陽質量和1.9倍太陽質量的致密天體并合產生,GW200115則是約6倍太陽質量和約1.5倍太陽質量的致密天體并合產生。
兩例引力波事件中,質量較大的天體為黑洞,質量較小的則被認為是中子星。為何會有這樣的判斷?“原則上,兩個較小質量的天體也可能是黑洞,但因其質量與中子星一致,且以前并未發現質量如此小的黑洞,所以判斷這兩例引力波來自黑洞—中子星并合最為合適。”朱興江介紹。
目前,地面引力波探測器發現的50余例引力波事件均來自兩個致密天體的繞轉和并合現象。
“引力波頻率不同,探測手段也不一樣。”鄒遠川說,宇宙中的超新星爆發、中子星或白矮星非對稱振動、宇宙深處超大質量雙黑洞并合、小黑洞圍繞超大質量黑洞的旋進和宇宙早期一些劇烈的物理過程都會產生引力波。
鄒遠川介紹,目前,LIGO、Virgo和KAGRA主要探測頻率約為十至幾千赫茲的引力波。我國“天琴計劃”“太極計劃”等為空間引力波探測計劃,主要探測毫赫茲左右的引力波。此外,更低頻的、約1納赫茲的引力波,主要以脈沖計時陣的方式進行探測。
“不少引力波的信號特征都與我們日常生活中出現的聲音相似。”朱興江說,引力波隨機背景信號類似收音機播放的噪聲,旋轉中子星的信號則是一個單頻的連續信號,超新星爆發的信號可能是一個短暫的爆炸聲,兩個致密天體繞轉的信號或更像鳥叫聲,科學家們形象地稱之為啁啾信號。
黑洞—脈沖星系統或將被發現
鄒遠川介紹,黑洞—中子星并合有兩種情形,若黑洞質量比較大,黑洞將直接吞噬中子星,預期沒有電磁輻射,這符合目前觀測到的兩例引力波事件;若黑洞質量較小,則在潮汐力撕裂并合中子星的時候,其中部分中子物質會被拋射出去,產生核合成及電磁輻射。
因此,伴有電磁輻射的黑洞—中子星并合事件,是下一個值得期待的探測“新大陸”。
朱興江認為:“這次觀測成果證實了黑洞—中子星雙星系統或在宇宙中廣泛存在,銀河系內的黑洞—脈沖星系統也許很快將會被發現。”
在鄒遠川看來,更長遠的突破是地面引力波探測設備的進一步升級,能觀測到越來越多宇宙中正在發生的致密雙星并合事件,為人類了解恒星,特別是雙星的演化提供絕佳手段。
同時,我國“天琴計劃”“太極計劃”等實施后,將能觀測到宇宙早期超大質量黑洞的并合,為我們理解星系中心黑洞的成長歷史提供直接證據。
“聯合探測十分值得期待。”鄒遠川興奮地說,把較低頻的空間引力波探測和LIGO的探測結合,加上頻率接收范圍介于二者之間的探測器,可監測致密雙星從互相繞轉到最終并合的整個歷史,還能提前預報并合事件,讓傳統望遠鏡提前觀測,將引力波和電磁信號進行聯合,讓人類全面了解中子星和黑洞的本質等。
編輯:魯雅靜
關鍵詞:引力 黑洞 中子星 探測