又是引力波 發(fā)現(xiàn)致密雙星并合最后一塊“拼圖”

不少引力波的信號特征都與我們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)的聲音相似，引力波隨機(jī)背景信號類似收音機(jī)播放的噪聲，旋轉(zhuǎn)中子星的信號則是一個單頻的連續(xù)信號，超新星爆發(fā)的信號可能是一個短暫的爆炸聲，兩個致密天體繞轉(zhuǎn)的信號或更像鳥叫聲，科學(xué)家們形象地稱之為啁啾信號。

 

朱興江 北京師范大學(xué)珠海校區(qū)引力波與宇宙學(xué)實驗室特聘研究員

 

遙望蒼穹，看似平靜，卻也激流涌動，“眉目傳情、暗送秋波”的現(xiàn)象在天文探測中時有發(fā)生。

 

6月29日，一篇發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報》的論文稱，來自美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）和日本引力波天文臺（KAGRA）的天文學(xué)家接連發(fā)現(xiàn)了2例來自黑洞—中子星并合的引力波事件——GW200105和GW200115。

 

所謂黑洞—雙子星并合，即一個由黑洞和雙子星構(gòu)成的致密雙星系統(tǒng)發(fā)生的并合事件。

 

這是人類首次確認(rèn)黑洞—中子星并合，至此，科學(xué)家通過引力波，找到了3種致密雙星并合（雙黑洞、雙中子星和黑洞—中子星）的最后一塊“拼圖”。

 

科學(xué)家是如何確定引力波來源的？引力波還能在哪些領(lǐng)域取得新的突破？帶著這些疑問，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。

 

姍姍來遲的黑洞—中子星并合

 

“對一個天體對象的探測，無非有兩種方法：一個是引力，一個是電磁波。”華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授鄒遠(yuǎn)川說。

 

早在2015年9月14日，人類首次通過LIGO發(fā)現(xiàn)了雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，這也是首次探測到引力波，3名科學(xué)家因此獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。

 

兩年后，2017年8月17日，科學(xué)家觀測到雙中子星并合產(chǎn)生的引力波，同時也看到并合后拋出的中子物質(zhì)間接產(chǎn)生的伽馬射線、光學(xué)輻射等電磁信號。

 

鄒遠(yuǎn)川介紹，至此，在對致密雙星并合的探測中，只剩黑洞—中子星并合事件還未被發(fā)現(xiàn)。這次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探測成果，正好補(bǔ)齊了這最后一塊“拼圖”。

 

“近年來，以LIGO為代表的引力波探測器，靈敏度穩(wěn)步提升，這是人類發(fā)現(xiàn)黑洞—中子星并合事件的關(guān)鍵。”北京師范大學(xué)珠海校區(qū)引力波與宇宙學(xué)實驗室特聘研究員朱興江博士介紹說，相對而言，黑洞—中子星并合或許沒有雙黑洞、雙中子星并合出現(xiàn)的這么“頻繁”，想要尋找更多黑洞—中子星并合，我們需要能夠看得更遠(yuǎn)的探測器。

 

黑洞—中子星并合為何是最后一個被探測到的？

 

鄒遠(yuǎn)川認(rèn)為，可能有兩個主要原因，一是該事件發(fā)生概率較低，即便發(fā)生了，其信號強(qiáng)度也比較弱，目前被探測到的絕大多數(shù)是雙黑洞并合，就是因為其質(zhì)量比中子星大幾十倍，產(chǎn)生的信號也更強(qiáng)烈；二是巧合，雙中子星并合的理論探測率也不高，目前只看到了兩個，先于黑洞—中子星并合被發(fā)現(xiàn)，也可能是巧合。

 

黑洞—中子星并合如此難以探尋，科學(xué)家是否能通過除引力波外的其他手段進(jìn)行多方面的探測？“原則上，黑洞—中子星并合也會輻射電磁波，但在此次兩個并合事件中，還沒有探測到任何電磁波信號。”朱興江說，這可能是因為它們距離地球太遠(yuǎn)且方位不清，電磁波信號難以被捕捉，抑或是因為黑洞的質(zhì)量比中子星大很多，中子星或直接被黑洞吞噬，僅造成其附近時空的震顫，沒有留下其他任何線索，以供我們進(jìn)行探測。

 

通過質(zhì)量大小確定并合雙方身份

 

黑洞—中子星并合的“事發(fā)地”距離地球如此遙遠(yuǎn)，科學(xué)家又是通過什么方式確認(rèn)兩例引力波來自黑洞—中子星并合？鄒遠(yuǎn)川說，科學(xué)家主要通過兩個天體的質(zhì)量來判斷并合事件的類型，引力波的波形中就包含著并合天體的質(zhì)量信息。

 

理論上，中子星的質(zhì)量上限（奧本海默極限）大致為3倍太陽質(zhì)量，致密天體的質(zhì)量超過該質(zhì)量上限，就可以確定其為黑洞。

 

這次探測到的引力波事件GW200105，為約9倍太陽質(zhì)量和1.9倍太陽質(zhì)量的致密天體并合產(chǎn)生，GW200115則是約6倍太陽質(zhì)量和約1.5倍太陽質(zhì)量的致密天體并合產(chǎn)生。

 

兩例引力波事件中，質(zhì)量較大的天體為黑洞，質(zhì)量較小的則被認(rèn)為是中子星。為何會有這樣的判斷？“原則上，兩個較小質(zhì)量的天體也可能是黑洞，但因其質(zhì)量與中子星一致，且以前并未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量如此小的黑洞，所以判斷這兩例引力波來自黑洞—中子星并合最為合適。”朱興江介紹。

 

目前，地面引力波探測器發(fā)現(xiàn)的50余例引力波事件均來自兩個致密天體的繞轉(zhuǎn)和并合現(xiàn)象。

 

“引力波頻率不同，探測手段也不一樣。”鄒遠(yuǎn)川說，宇宙中的超新星爆發(fā)、中子星或白矮星非對稱振動、宇宙深處超大質(zhì)量雙黑洞并合、小黑洞圍繞超大質(zhì)量黑洞的旋進(jìn)和宇宙早期一些劇烈的物理過程都會產(chǎn)生引力波。

 

鄒遠(yuǎn)川介紹，目前，LIGO、Virgo和KAGRA主要探測頻率約為十至幾千赫茲的引力波。我國“天琴計劃”“太極計劃”等為空間引力波探測計劃，主要探測毫赫茲左右的引力波。此外，更低頻的、約1納赫茲的引力波，主要以脈沖計時陣的方式進(jìn)行探測。

 

“不少引力波的信號特征都與我們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)的聲音相似。”朱興江說，引力波隨機(jī)背景信號類似收音機(jī)播放的噪聲，旋轉(zhuǎn)中子星的信號則是一個單頻的連續(xù)信號，超新星爆發(fā)的信號可能是一個短暫的爆炸聲，兩個致密天體繞轉(zhuǎn)的信號或更像鳥叫聲，科學(xué)家們形象地稱之為啁啾信號。

 

黑洞—脈沖星系統(tǒng)或?qū)⒈话l(fā)現(xiàn)

 

鄒遠(yuǎn)川介紹，黑洞—中子星并合有兩種情形，若黑洞質(zhì)量比較大，黑洞將直接吞噬中子星，預(yù)期沒有電磁輻射，這符合目前觀測到的兩例引力波事件；若黑洞質(zhì)量較小，則在潮汐力撕裂并合中子星的時候，其中部分中子物質(zhì)會被拋射出去，產(chǎn)生核合成及電磁輻射。

 

因此，伴有電磁輻射的黑洞—中子星并合事件，是下一個值得期待的探測“新大陸”。

 

朱興江認(rèn)為：“這次觀測成果證實了黑洞—中子星雙星系統(tǒng)或在宇宙中廣泛存在，銀河系內(nèi)的黑洞—脈沖星系統(tǒng)也許很快將會被發(fā)現(xiàn)。”

 

在鄒遠(yuǎn)川看來，更長遠(yuǎn)的突破是地面引力波探測設(shè)備的進(jìn)一步升級，能觀測到越來越多宇宙中正在發(fā)生的致密雙星并合事件，為人類了解恒星，特別是雙星的演化提供絕佳手段。

 

同時，我國“天琴計劃”“太極計劃”等實施后，將能觀測到宇宙早期超大質(zhì)量黑洞的并合，為我們理解星系中心黑洞的成長歷史提供直接證據(jù)。

 

“聯(lián)合探測十分值得期待。”鄒遠(yuǎn)川興奮地說，把較低頻的空間引力波探測和LIGO的探測結(jié)合，加上頻率接收范圍介于二者之間的探測器，可監(jiān)測致密雙星從互相繞轉(zhuǎn)到最終并合的整個歷史，還能提前預(yù)報并合事件，讓傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡提前觀測，將引力波和電磁信號進(jìn)行聯(lián)合，讓人類全面了解中子星和黑洞的本質(zhì)等。