中子星并合产生异常大质量天体

科学家证实，引力波探测器已经观测到了第二次中子星并合事件，结果出乎意料地与预期不同。

作为全球合作项目的成员，来自ARC引力波探索卓越中心（OzGrav）的澳大利亚科学家通过研究事件产生的引力波，有史以来第二次观察到两个大质量致密天体即中子星的并合事件。周一（2020年1月6日，译者注）在檀香山举行的美国天文学会会议上宣布了结果。

此次并合事件（称为GW190425）在2019年4月25日被三台激光干涉仪之一观测到，并产生了一个新天体，其质量似乎远高于此类事件的预期。

主中子星的质量是太阳质量的1.61-2.52倍，而次中子星的质量是太阳质量的1.12-1.69倍。并合后，新天体的质量大约是太阳质量的3.4倍。事件本身释放出的能量是太阳质量的1.44倍，以引力波的形式辐射到太空中。

由于事件发生时只有两台干涉仪在工作（并且只有一台干涉仪探测到信号），因此无法精确确定事件在天空的位置，但科学家估计此事件的光度距离范围为5.186-5.251亿光年。

中子星是致密的天体，直径通常约20km，不比一个城市大多少。将3.4倍太阳质量的物质挤入如此小的空间，中子星因而变得极其致密。

迄今为止，观测到的质量最大的中子星是PSR J0740+6620，其质量是在2019年9月确定的，约为2.14倍太阳质量。一般认为，质量超过2.16倍太阳质量的中子星，其引力会克服自我维系的力，进而坍塌成一个恒星级质量的黑洞。

使问题进一步复杂化的是，迄今没有观察到小于5倍太阳质量的恒星级黑洞，因此，这些新发现对我们对天体物理学家称之为质量间隙（mass gap）的中间区域的理解提出了有趣的问题。

OzGrav的博士后朱兴江说：“并合天体的总质量大得惊人，远远超过了任何先前已知的双中子星系统，包括2017年探测到的双中子星。这促使我们思考此事件的本质以及此种信号源是如何形成的。”

如今，科学家正在审查这些发现，考虑了许多可能的选项，例如中子星与黑洞的并合，或者产生处于质量间隙的黑洞。另外，一个全新的双中子星系统可能会导致异常大的并合质量。

双中子星并合产生GW190425的艺术图示。图片来源：National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

澳大利亚机构为发现做出贡献

这些发现是通过澳大利亚自己的引力波天体物理学组织OzGrav宣布的，该组织旨在通过诸如量子压缩、超级计算机算法开发以及引力波事件探测等新兴物理领域科学家的合作，使澳大利亚在引力波天文学这一新领域占有一席之地。

此过程中，该中心还打算围绕诸如黑洞之类的引人入胜的话题在澳大利亚公众中引起宣传和兴趣，间接激发年轻人参与基于STEM（科学、技术、工程、数学，译者注）的学习和活动。

OzGrav也是国际合作的一部分，这是一个由全球1500名科学家组成的联合体，还包括澳大利亚国立大学，查尔斯斯特大学，莫纳什大学，斯威本科技大学，墨尔本大学，西澳大利亚大学和阿德莱德大学。其他参与的澳大利亚机构包括CSIRO和澳大利亚天文台。

如何探测引力波？

对引力波的直接探测直到近期才成为可能，通过建造称之为激光干涉引力波天文台（LIGO）的大型装置，我们可以直接探测到引力波。

当前，全球共有三台探测器，两台位于美国，相距约3000公里，分别位于华盛顿的汉福德（Hanford, Washington）和路易斯安那的利文斯顿（Livingston, Louisiana），第三台位于意大利比萨（称为EVirgo）。协作的下一阶段预计将有第四台探测器上线，该探测器目前正在日本岐阜县的地下深处进行开发（称为KAGRA天文台）。

干涉仪是目前人类创造的最灵敏的仪器之一，能够检测到只有质子宽度的1/1000的位移。这是通过沿两个互相垂直的真空轴发射4公里的激光来实现的，其中一个特殊的镜子将光反射回探测器。

LIGO激光器的内部工作原理–激光射入分光器，然后沿着4公里的隧道前进，在测试质量处被反射，然后返回以合成推断图像。图片来源：LIGO。

“此次探测表明了对已经非常灵敏的引力波探测器进行持续改进的重要性，因为在最新升级之前，探测器是无法观察到此次事件的。OzGrav在这些升级中扮演着至关重要的角色，其中之一涉及减少探测器中的量子噪声。” OzGrav的博士后Vaishali说。

引力波会挤压和拉伸地球（及其上的所有物体，包括人类），但幅度很小。当引力波通过天文台时，探测器的灵敏度足以记录这种变化并记录下事件。

通过在不同位置安装多个探测器，多探测器协作可以排除任何局部干扰（包括在真空管上行走的乌鸦），并且可以更好地在空中定位事件的来源。

科学检查：中子星和黑洞

中子星数十年来一直吸引着科学家（和科幻作家）。它是我们宇宙中非常极端的一种天体，因为它们在逻辑上无视我们对日常物理学的理解，尤其是我们所熟知的引力。

中子星是在质量远大于太阳的大质量恒星的剧烈死亡期间形成的。取决于恒星的原始质量，不同恒星会有不同的归宿。

像我们的太阳这样的恒星，会将它的外层物质喷离，留下一个约地球大小的炽热核，称为白矮星。

对于质量更大的恒星，引力足以将电子和质子推到一起，从而形成一个如城市大小的小型天体-中子星。这些天体质量和密度都非常大，其一茶匙的物质重达一千万吨-大约相当于一个800m边长的地球立方体的质量。

由于如此大的密度，中子星具有巨大的引力场-比地球强约2000亿倍。它们还具有强大的磁场并以每秒几万次的速度快速旋转，这是超新星期间恒星向内坍缩的结果。

一些中子星从它们的两极发射无线电波，这些无线电波就像扫过黑暗海洋的灯塔光束一样扫过地球。这些中子星被称为脉冲星，天体物理学家已经能够极其精确地测量这些星体的自旋。

最后，当恒星质量非常大时，星核向内坍缩并不会停止于中子的产生，而是一直持续到恒星变成黑洞-一个密度无限的空间区域，甚至连光都无法逃逸。

因此，我们无法直接观测黑洞，但可以对其产生的效应进行详细研究。例如，旋涡物质的吸积盘，因为它绕黑洞高速旋转，可以发射出可观测的X射线。或是质量较大的物体（如伴星）绕着一个看不见的物体运动的速度可以告诉我们该物体的质量。

自2015年以来，我们从绕转的双黑洞产生的引力波中获取了丰富信息。干涉仪采集的数据中包含的信息可以告诉我们并合前每个黑洞的质量和自旋速率，并合后黑洞的质量以及整个事件辐射到空间的能量。

LIGO听到的“啁啾”声-GW150914的引力波信号。图片来源：LIGO。

GW170817

2017年8月17日，LIGO探测器观察到了一个旋进过程的引力波信号，这与双黑洞并合产生的信号不同。这个新的信号（称为GW170817）历时更长，并且描述了两个质量远小于恒星级黑洞的致密天体的并合。

这是首次观测到两个中子星并合事件，称为千新星（Kilonova）。

由于千新星事件不涉及黑洞，如果引力波的定位足够好，能够为电磁望远镜指示事件的相应区域，就可以观察到引力波事件的电磁对应体。

GW170817就是这种情况。在LIGO探测器对事件进行定位后，全球的望远镜都将视线转向该区域，并见证了千新星的电磁信号-短时伽马射线暴（GRB 130603B），随后的光曲线表明放射性衰变是在弹出的物质周围发生的，此结果首次证实这些大规模的剧烈事件（通过核合成）产生了比铁重的化学元素（例如锶、金和铂）。

不幸的是，GW190425的定位很差，这意味着电磁望远镜找不到千新星的余辉。但是这种情况肯定会发生，再次向宇宙释放大量能量并产生大量重元素，终有一天将孕育其他恒星、太阳系以及类地行星。

GW190425的定位。图片来源：Ben Farr / LIGO。

OzGrav的副研究员Greg Ashton说：“这次事件非常有趣。三台探测器中的两台看到了在最终并合之前持续约128秒的类啁啾（chirp-like）信号。不幸的是，当时有一个探测器没有在观测，这意味着天空定位很差。也许是因为这个原因，并且因为它太远了，所以从该事件中没有观测到电磁信号。不过，我们在引力波数据中非常清楚地看到了此次事件，并且可以利用这些数据计算星体的质量、自旋和方向”。

“随着LIGO探测器灵敏度的提高，可以期待更多激动人心和意外的发现。OzGrav正在与LIGO紧密合作，以提高灵敏度，开发新的仪器和分析技术，”阿德莱德大学OzGrav节点负责人Peter Veitch教授说。

科学家对此事件的真正兴奋之处在于并合后物体的质量远高于先前所观察到的。

OzGrav的博士后Simon Stevenson表示：“我们说引力波天文学是一种全新且独特的观察宇宙的方法，此次事件正是这一说法的完美例证。质量与此次事件差不多的双星系统，可能在银河系中不存在，或者常规射电望远镜可能完全看不见。”

这一发现是否可能导致找到源于双中子星的处于难以捉摸的“质量间隙”区域的黑洞？或者说GW190425是否将会告诉我们一些新的关于可以存在且确实存在的双中子星系统的信息？

在每种可能的情况下，潜在的新科学都在等待着被发现，因为天体物理学家正在探索我们宇宙中发生的某些最剧烈事件的内部运作，以及一些最极端的天体。

译者简介：

杨星宇，中国科学院理论物理研究所博士研究生，研究方向为引力理论与宇宙学。

文章来源：SPACE AUSTRALIA