天文學家很可能觀測到了黑洞吞噬中子星

天文學家很可能觀測到了黑洞吞噬中子星
這張藝術幻想圖描繪的是一個黑洞吞噬一顆中子星的情景。當中子星繞著黑洞運行,黑洞巨大的引力會將其撕成碎片,此現象被稱作“潮汐瓦解(tidal disruption)”。
插圖:DANA BERRY, NASA
 
撰文:MICHAEL GRESHKO
 
  大約9億年前,一個黑洞打了一個恐怖的“飽嗝”,響徹全宇宙。8月14日,這個“飽嗝”在時空中產生的漣漪傳到了地球,讓我們知曉了此前從未見過的宇宙碰撞類型,并可能讓我們揭開宇宙運行的一絲新奧秘。
 
  這次探測事件名為S190814bv,很可能是一顆黑洞與一顆中子星并合產生的。盡管長期以來天文學家都期待看到黑洞-中子星這類雙子系統,但使用望遠鏡以各種波長掃描蒼穹后,仍一無所獲。
 
  不過,天文學家還期待當黑洞與中子星并合時產生所謂的“引力波”。一百多年前,愛因斯坦的廣義相對論中就預測了這類時空漣漪。他的理論稱,兩個質量極大的天體相撞,將會使宇宙結構產生褶皺。
 
  人類第一次探測到引力波是在2015年,當時LIGO天文臺檢測到了兩個黑洞合而為一的信號。之后,LIGO及其歐洲的同行Virgo天文臺還檢測到了黑洞融合、兩顆中子星碰撞的信號。此次,LIGO和Virgo都探測到了S190814bv,而如果這確定是中子星-黑洞并合,那將是人類探測到的第三類引力波。
 
  今年4月26日,探測裝置也曾收到過一個中子星-黑洞的合并信號,但研究人員稱,此次發現的S190814bv信號更加強烈。4月份發現的那個信號有1/7的概率來自于地球的干擾,而且與4月份信號相似的“假警報”預計每隔20個月就會出現一次。但是,S190814bv幾乎確定來自于地球之外,而且,要想看到與之類似的“假警報”,LIGO團隊估計你要等的時間恐怕比宇宙的年齡還要長。
 
  LIGO團隊成員、美國西北大學物理學家Christopher Berry說:“這個信號尤其讓人激動。它很可能是真實的信號,投入更多的時間和精力都是值得的。”
 
宇宙碎紙機
 
  LIGO和Virgo還把S190814bv的來源鎖定到了一片比滿月大11倍的橢圓形天域,使望遠鏡可以追蹤反常的閃光。全世界的許多地面及太空設備也已經暫停了常規觀測計劃,加入了這一盛會,并實時分享其早期觀測結果。
 
  美國宇航局Swift望遠鏡的天文臺當值科學家Aaron Tohuvavohu一直在這片天域尋找X射線和紫外線的閃爆信號。他說:“太激動了!我一整夜都沒睡覺,而且樂此不疲。”
 
  如果Swift和其它望遠鏡真的觀測到LIGO和Virgo所感受到的碰撞產生的后續亮光,那么,對天文學界來說將是一樁大事。因為,光能讓科學家首次看到中子星的內部,并可能以新的方式來檢驗相對論的極限。
 
  LIGO團隊成員、美國西北大學物理學家Vicky Kalogera稱:“對于理論學家而言,那將是一個非凡如夢的時刻。”
 
  然而,望遠鏡也可能什么也看不到。根據目前的理論預測,中子星和黑洞的碰撞并不一定都會產生光,這要取決于兩個天體的質量比。
 
  黑洞與中子星的質量越相近,中子星繞進黑洞所需的時間就越長,兩個天體環繞彼此運行的距離就越近,從而使黑洞有更多機會靠引力撕裂中子星。當中子星熾熱的碎屑跌入黑洞,就會產生望遠鏡能夠檢測到的光線。
 
  但是,如果黑洞比中子星的質量大得多,黑洞吞掉整顆中子星也不費吹灰之力,那就不會發出光。Kalogera稱,科學家仍然在極力分析S190814bv的信號,計算黑洞質量的范圍,以便弄清這次事件的情況。
 
它們究竟是什么?
 
  此外,還有一種可能性:S190814bv中的小天體壓根并非中子星。
 
  LIGO和Virgo以每次碰撞中天體的估測質量,對并合事件分類。低于我們太陽質量三倍的,歸為中子星。高于我們太陽質量五倍的,歸為黑洞。就此例而言,S190814bv中較小的天體質量估計低于三個太陽的質量。
 
  雖然質量不大的黑洞在理論上可能存在,但迄今為止,對宇宙進行X射線波段觀測后尚未發現它們存在的跡象。同樣,我們關于中子星的最好的理論稱,如果中子星的質量比兩個太陽更大,它們就會坍縮成黑洞。那么,3個太陽質量與5個太陽質量之間的缺口,會不會就是我們觀測的缺口?而S190814bv中較小的天體其實就是一個小號的黑洞呢?
 
  Berry說:“這次事件可能回給我們帶來兩個謎題:一顆中子星的最大質量是多少,一個黑洞的最小質量是多少。”
 
  引力波的微妙特性,可能讓科學家能夠弄清S190814bv中較小天體的身份。如果后續的觀測確實能發現亮光(Kalogera稱可能需要兩周時間),那么,可以確認較小的天體就是一顆中子星。
 
  無論最終的觀測信號怎么樣,這都將是史無前例的第一次。Berry說:“這是一個雙贏的局面。”
 
(譯者:mikegao)
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