天文学家很可能观测到了黑洞吞噬中子星

天文学家很可能观测到了黑洞吞噬中子星
这张艺术幻想图描绘的是一个黑洞吞噬一颗中子星的情景。当中子星绕着黑洞运行,黑洞巨大的引力会将其撕成碎片,此现象被称作“潮汐瓦解(tidal disruption)”。
插图:DANA BERRY, NASA
 
撰文:MICHAEL GRESHKO
 
  大约9亿年前,一个黑洞打了一个恐怖的“饱嗝”,响彻全宇宙。8月14日,这个“饱嗝”在时空中产生的涟漪传到了地球,让我们知晓了此前从未见过的宇宙碰撞类型,并可能让我们揭开宇宙运行的一丝新奥秘。
 
  这次探测事件名为S190814bv,很可能是一颗黑洞与一颗中子星并合产生的。尽管长期以来天文学家都期待看到黑洞-中子星这类双子系统,但使用望远镜以各种波长扫描苍穹后,仍一无所获。
 
  不过,天文学家还期待当黑洞与中子星并合时产生所谓的“引力波”。一百多年前,爱因斯坦的广义相对论中就预测了这类时空涟漪。他的理论称,两个质量极大的天体相撞,将会使宇宙结构产生褶皱。
 
  人类第一次探测到引力波是在2015年,当时LIGO天文台检测到了两个黑洞合而为一的信号。之后,LIGO及其欧洲的同行Virgo天文台还检测到了黑洞融合、两颗中子星碰撞的信号。此次,LIGO和Virgo都探测到了S190814bv,而如果这确定是中子星-黑洞并合,那将是人类探测到的第三类引力波。
 
  今年4月26日,探测装置也曾收到过一个中子星-黑洞的合并信号,但研究人员称,此次发现的S190814bv信号更加强烈。4月份发现的那个信号有1/7的概率来自于地球的干扰,而且与4月份信号相似的“假警报”预计每隔20个月就会出现一次。但是,S190814bv几乎确定来自于地球之外,而且,要想看到与之类似的“假警报”,LIGO团队估计你要等的时间恐怕比宇宙的年龄还要长。
 
  LIGO团队成员、美国西北大学物理学家Christopher Berry说:“这个信号尤其让人激动。它很可能是真实的信号,投入更多的时间和精力都是值得的。”
 
宇宙碎纸机
 
  LIGO和Virgo还把S190814bv的来源锁定到了一片比满月大11倍的椭圆形天域,使望远镜可以追踪反常的闪光。全世界的许多地面及太空设备也已经暂停了常规观测计划,加入了这一盛会,并实时分享其早期观测结果。
 
  美国宇航局Swift望远镜的天文台当值科学家Aaron Tohuvavohu一直在这片天域寻找X射线和紫外线的闪爆信号。他说:“太激动了!我一整夜都没睡觉,而且乐此不疲。”
 
  如果Swift和其它望远镜真的观测到LIGO和Virgo所感受到的碰撞产生的后续亮光,那么,对天文学界来说将是一桩大事。因为,光能让科学家首次看到中子星的内部,并可能以新的方式来检验相对论的极限。
 
  LIGO团队成员、美国西北大学物理学家Vicky Kalogera称:“对于理论学家而言,那将是一个非凡如梦的时刻。”
 
  然而,望远镜也可能什么也看不到。根据目前的理论预测,中子星和黑洞的碰撞并不一定都会产生光,这要取决于两个天体的质量比。
 
  黑洞与中子星的质量越相近,中子星绕进黑洞所需的时间就越长,两个天体环绕彼此运行的距离就越近,从而使黑洞有更多机会靠引力撕裂中子星。当中子星炽热的碎屑跌入黑洞,就会产生望远镜能够检测到的光线。
 
  但是,如果黑洞比中子星的质量大得多,黑洞吞掉整颗中子星也不费吹灰之力,那就不会发出光。Kalogera称,科学家仍然在极力分析S190814bv的信号,计算黑洞质量的范围,以便弄清这次事件的情况。
 
它们究竟是什么?
 
  此外,还有一种可能性:S190814bv中的小天体压根并非中子星。
 
  LIGO和Virgo以每次碰撞中天体的估测质量,对并合事件分类。低于我们太阳质量三倍的,归为中子星。高于我们太阳质量五倍的,归为黑洞。就此例而言,S190814bv中较小的天体质量估计低于三个太阳的质量。
 
  虽然质量不大的黑洞在理论上可能存在,但迄今为止,对宇宙进行X射线波段观测后尚未发现它们存在的迹象。同样,我们关于中子星的最好的理论称,如果中子星的质量比两个太阳更大,它们就会坍缩成黑洞。那么,3个太阳质量与5个太阳质量之间的缺口,会不会就是我们观测的缺口?而S190814bv中较小的天体其实就是一个小号的黑洞呢?
 
  Berry说:“这次事件可能回给我们带来两个谜题:一颗中子星的最大质量是多少,一个黑洞的最小质量是多少。”
 
  引力波的微妙特性,可能让科学家能够弄清S190814bv中较小天体的身份。如果后续的观测确实能发现亮光(Kalogera称可能需要两周时间),那么,可以确认较小的天体就是一颗中子星。
 
  无论最终的观测信号怎么样,这都将是史无前例的第一次。Berry说:“这是一个双赢的局面。”
 
(译者:mikegao)
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