大約8.7億年前，兩顆死亡的恆星相遇。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，位於美國的LIGO和義大利的Virgo引力波探測器同時捕捉到這個來自遙遠星空的信號。21秒後，全球天文學家的手機與電腦收到系統發送的消息。人類，首次觀測到黑洞與中子星併合產生的引力波信號。
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，位於美國的雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）和義大利的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生的引力波信號。消息在次年公布後，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後，LIGO與Virgo的探測走上了正軌，新的引力波信號不斷出現。2017年，它們還首次觀測到兩顆中子星併合產生的引力波信號。截至目前，LIGO-Virgo已經探測到了十餘次來自黑洞，以及兩次源自中子星的併合事件。
但是，當最新的觀測數據出現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象。
「當我看到數據，我的下巴都嚇掉了。」LIGO團隊成員，加州州立大學富爾頓分校的Geoffrey Lovelace說。
由於發生碰撞的兩個天體質量較輕，系統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。隨後的分析指出，這次的信號是由黑洞和中子星間的碰撞產生的。
這是科學家首次觀測到此類現象，也是繼黑洞-黑洞碰撞、中子星-中子星碰撞之後，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、恆星死亡與神秘天體提供全新的視野。
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，事件發生時，「我立即意識到，這是非常重要的信號。」
根據引力波信號的形態、時長等即時特徵，研究團隊在20秒之內，就能根據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的天區。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併合事件。
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，但當時科學家並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併合的置信度超過了99%。也就是說，如果這是假信號，那麼這將是1000億年一遇的假信號。Lovelace說：「當這一數字遠遠超出宇宙的年齡，你知道它一定是真實的。」
不過，儘管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量。根據現有的數據，所有黑洞的質量都在5個太陽質量以上，而所有中子星都不超過3個太陽質量。
而在最新的碰撞事件中，一個天體可以確定落在黑洞的質量範疇中，但較輕的天體卻處在一個尷尬的模糊地帶。根據初步觀測數據，這顆天體的質量略大於3個太陽質量。如果進一步的觀測證實其質量在1~2個太陽質量之間，那麼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個太陽質量，就有可能需要改寫中子星與黑洞的質量界線。
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。由於模型過於複雜，他們不可能在短時間內就得出結論。值得注意的是，當前的理論模型主要是基於兩個質量相近的天體的碰撞。但在最新的事件中，兩個天體的質量相差很大。因此，在應用先前的模型時，科學家需要格外謹慎。
最初，LIGO兩臺探測器中的一臺與Virgo共同發現了該信號；第二天，科學家從LIGO另一臺探測器中手動得到了數據。來自三臺探測器的數據能讓科學家更精確地定位事件發生的位置。
精確的定位將信號來源限制在相當於天圖面積0.06%的狹小區域。在這裡，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。「理論上，覆蓋這片區域是很快的。」美國布蘭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局：或許，黑洞巨大的引力將中子星撕碎，後者只餘下發光的遺骸，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，我們什麼都看不見，因為黑洞一口氣就將整個中子星吞下。
目前，LIGO-Virgo的模擬傾向於第二種假說，但並無定論。而第一次觀測，即使什麼都沒有看見，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，將對現有的理論造成巨大衝擊。」Soares-Santos說。
對於物理學家而言，發現黑洞-中子星的併合有著重要意義。
首先，這項發現將幫助科學家認識神秘天體——中子星。中子星內部含有宇宙中最緻密的物質（黑洞並不是物質，而是極端彎曲的時空），但物理學家對其內部結構知之甚少。而中子星的內部構成，與其密度、體積等特徵相關。例如，如果中子星中的物質以基本粒子的等離子體形式存在，那麼特定質量的中子星體積應該更小。
此次觀測到的引力波的精細結構、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。「對於核物理學家而言，此次觀測如同聖杯。」加州大學伯克利分校的博士後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境下檢驗廣義相對論。這樣的嘗試已經足夠困難，而現在，加上高溫、動蕩、磁化的中子星物質（中子態），將進一步提升驗證廣義相對論的挑戰性。
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門正徐徐打開。
原始連結：
https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-spy-a-black-hole-devouring-a-neutron-star/
《環球科學》經典專輯重新上市
單本專刊享8折包快遞優惠
購滿3本另減10元
點擊圖片或閱讀原文
進入訂閱頁面