作为一名天文学家最好的事情之一就是能够发现关于宇宙的一些新东西。事实上,也许唯一更好的事情是发现它两次。而这正是我和我的同事所做的,通过两次独立的观察,仅仅相隔10天,观察一种全新的天文现象:一颗中子星围绕着一个黑洞旋转,然后被吞噬。

这两项观测是由地球物理研究所于2020年1月进行的激光干涉引力波天文台处女座天文台它们都能探测到来自遥远宇宙的引力波。

经过18个月的艰苦分析,我们发现发表在《天体物理学杂志快报》上.新的观测结果为研究恒星的生命周期、时空的本质以及物质在极端压力和密度下的行为开辟了新的途径。

中子星-黑洞系统的首次观测是在2020年1月5日。LIGO和室女座观测到引力波——时空结构的扭曲——是由中子星和黑洞垂死轨道的最后30秒产生的,随之而来的是它们不可避免的碰撞。该发现被命名为GW200105。

值得注意的是,仅仅10天后,LIGO和室女座探测器就探测到了来自中子星和黑洞第二次碰撞的引力波。此事件名为GW200115。两次碰撞都发生在大约9亿年前,远在恐龙出现在地球上之前。

中子星和黑洞是宇宙中最极端的天体之一。它们是大质量死恒星的化石遗迹。当一颗质量是太阳八倍以上的恒星耗尽燃料时,它会经历一场壮观的爆炸,被称为超新星。剩下的可能是中子星或黑洞。

中子星的质量通常是太阳的1.5到2倍,但其密度如此之大,以至于它们所有的质量都被挤进了一个城市大小的物体中。在这种密度下,原子不再能维持其结构,并溶解成自由夸克和胶子流:质子和中子的组成部分。

黑洞则更为极端。没有上限如何巨大的黑洞,但所有黑洞有两个共同点:只能进不能退的地步在其表面称为“视界”,即使光线也无法逃脱,和一个点中心称为的“奇点”,我们理解他们打破物理定律。

可以说黑洞是一个谜。21世纪物理学和天文学的圣杯之一是通过观察这些奇怪和极端的物体来找到对自然规律的更深层次的理解。

一种新型的恒星系统

长期以来,人们一直认为围绕黑洞同伴运行的中子星是存在的。LIGO和处女座已经寻找了十多年,但直到现在,它们仍然是难以捉摸的。

那么,为什么我们如此确信我们现在看到的不是一个这样的系统,而是两个呢?

当LIGO和Virgo观测到引力波时,我们脑海中的第一个问题是“它们是什么引起的?”为了找到答案,我们使用了两件事:我们的观测数据和对不同类型天文事件的超级计算机模拟,这些模拟可以合理地解释这些数据。

通过将模拟结果与实际观测结果进行比较,我们寻找那些与数据最匹配的特征,锁定可能的特征,排除不可能的特征。

对于第一次发现(GW200105),我们确定引力波最可能的来源是最后的几次轨道,以及一个质量约为太阳8.9倍的天体和一个质量约为太阳1.9倍的天体之间的最终碰撞。考虑到所涉及的质量,最合理的解释是,较重的物体是黑洞,较轻的物体是中子星。

同样,从第二个(GW200115)中,我们确定它最有可能的来源是一个5.7太阳质量的黑洞和一个1.5太阳质量的中子星的最后几次轨道和碰撞。

目前还没有确凿的证据证明较轻的物体就是中子星,原则上它们可能是非常轻的黑洞,尽管我们认为这种解释不太可能。到目前为止,最好的假设是,我们的新观测结果与中子星和黑洞的合并是一致的。

恒星化石

我们的发现有几个有趣的含义。中子星-黑洞系统让我们拼凑出了恒星的进化史。引力波天文学家就像寻找恒星化石的人一样,利用爆炸恒星的遗迹来了解大质量恒星是如何形成、生存和死亡的。

我们已经用LIGO和室女座的观测做了好几年黑洞对中子星对.新发现的更罕见的一对,每一对都有一个,是恒星化石记录的迷人片段。

我们第一次直接测量了中子星与黑洞合并的速率:我们认为,在整个宇宙中,每年可能有数万或数十万次这样的碰撞。通过更多的观察,我们将更精确地测量速率。

中子星被吞噬后会发生什么?现在我们真正看到的是自然法则变成了11。当中子星与黑洞合并时,它们会发生变形,将关于它们奇异形式的物质的信息印在我们在地球上观察到的引力波上。

这可以揭示中子星的组成,进而告诉我们夸克和胶子在极端压力和密度下是如何表现的。它并没有告诉我们黑洞视界后面发生了什么,尽管我们发现的另一个方面是,我们可以在引力波信号中寻找黑洞中新物理的线索。

当LIGO和室女座在2022年年中升级后继续观测时,我们将看到更多中子星和黑洞之间的碰撞。在未来的十年里,我们预计将积累更多的引力波探测。

随着时间的推移,我们希望能拼凑出自然法则这将帮助我们理解宇宙中最极端、最难以穿透的物体的内部运作。谈话

本文转载自谈话在知识共享许可下。读了原文

图片来源:Carl Knox, ozgrava - swinburne大学,通过LIGO加州理工学院