9亿光年外黑洞和中子星组了个CP？

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美国东部时间8月14日下午5点10分39秒，位于美国的LIGO和位于意大利Virgo巨型探测器探测到了一次奇异事件。科学家们通过数据分析，认为这是由一对黑洞和中子星在约9亿光年之外相互运动并合产生的一束引力波脉冲。
自从2015年LIGO探测到引力波，这几年引力波已经成为了我们的老朋友，但这次的发现却被称为“诺奖级”发现！那么这对黑洞-中子星CP会带给我们什么惊喜呢？光明网询问了中国科学院国家天文台引力波天体物理研究团组首席研究员陆由俊，看看他怎么说吧~

图片来源：美国《科学》杂志官网
Q：什么是中子星？如何推测此次是黑洞与中子星合并的过程？
陆由俊：大质量（大约9-25个太阳质量）恒星演化至死亡时，因强大的吸引力导致星体坍缩产生超新星爆发抛射外部物质，其中心的终极产物是中子星。中子星由中子组成，类似于一个只有中子的大原子核，通过中子间并压支撑引力达至平衡。一般中子星的大小约为1到2个多太阳质量，半径为10多公里，具体尺寸依赖于目前还未完全理解的内部物态。若恒星质量大于约25个太阳质量，其死亡时中心产物的质量大于2-3太阳质量，则中子间并压不足以支撑引力，因而只能进一步坍缩形成黑洞。目前的天文观测和理论计算也表明，黑洞的质量大于3-5个太阳质量。

中子星艺术概念图 图片来源：网络
一般来说，由引力波信号可以非常准确地测得并合双星系统的啁啾质量，也即双星两成分质量的一个组合量，同时还可以较准确地给出两成分各自的质量。若由引力波信号得到的双星系统中较小的成分的质量在1至2个太阳质量左右，而主成分质量大于5个太阳质量，基本可以断定它是黑洞-中子星并合。此次LIGO/VIRGO官方给出的是探测到一黑洞-中子星并合的引力波信号，应该就是如此判断的。不过目前LIGO/VIRGO合作组还未明确给出该系统的质量、质量比等物理参数。
另外，还有一种可能是该系统仍是黑洞-黑洞并合，只不过它是由原初黑洞形成的双黑洞系统，不受恒星演化的黑洞质量下限的限制。这一可能概率可能较小，但若观测不到电磁对应体且主成分质量较大，就难以完全排除，若探测到电磁对应体就可以完全排除。
Q：黑洞-黑洞、双中子星、黑洞-中子星合并这三个哪个更加普遍？为什么？
陆由俊：目前的理论计算表明双中子星并合的事件发生率最大，黑洞-黑洞双星次之，黑洞-中子星最少。相对于双中子星，黑洞-黑洞双星需要由更大质量的（双）恒星系统形成，而随着质量的增加，（双）恒星的数目显著减少，因此黑洞-黑洞双星相较于双中子星数目要少。再考虑各自的具体形成演化过程，预期双中子星并合率比黑洞-黑洞并合率要大。事实上，因为对大质量双星演化过程中很多物理过程的理解还不充分，因而双中子星并合和双黑洞并合的数目理论估计目前还有很大的不确定性。

双中子星并合示意图 图片来源：网络
另外，黑洞-中子星系统主要是由较大质量比的双恒星系统形成，但大质量比双恒星系统相较等质量比恒星系统要少，且具体的形成过程略有差异，导致其并合数目较少。观测上，目前测得的黑洞-黑洞并合引力波事件远多于双中子星并合引力波事件，原因是黑洞-黑洞并合系统的质量远大于双中子星并合的质量，其引力波信号也显著强于双中子星系统的信号，因而更容易被探测到。根据现有的引力波探测结合模型估计的黑洞-黑洞并合率确实小于双中子星并合率。
Q：从2015年第一次探测到引力波至今，为什么黑洞-中子星并合“现身”较少？
陆由俊：原因有二，其一是黑洞-中子星的并合率相对较小，其二是该类并合产生的引力波信号也较目前探测到的黑洞-黑洞并合弱的多。
Q：中子星是密度是仅次于黑洞的天体，黑洞是如何把中子星“吃掉”的？
陆由俊：黑洞如何“吃掉”中子星依赖于黑洞的质量和自旋、中子星的质量及内部物态等物理参量。若黑洞的质量较小自旋较大，中子星在抵达黑洞附近时会被黑洞强大的潮汐力瓦解撕裂，大部分撕裂物质会被黑洞吸积吞噬，小部分物质会被抛射远离黑洞。这一过程会产生较强的电磁辐射，从而被不同波段的望远镜观测到。
若黑洞的质量较大且自旋较小，则中子星会直接旋进黑洞，不产生电磁信号，从而也无法被望远镜观测到。黑洞-中子星并合电磁对应体探测将会提供独立于引力波探测的有力手段，以揭示黑洞-中子星并合的物理过程，限制中子星内部物态和黑洞物理等。

艺术家绘制的黑洞吞食中子星的概念图
图片来源：Carl Knox, OzGrav ARC Centre of Excellence
Q：外界称这是诺奖级发现，探测到黑洞-中子星并合有何重要意义？
陆由俊：毫无疑问，黑洞-中子星并合引力波事件的探测是继首例黑洞-黑洞并合GW150914和双中子星并合事件GW170817后的又一重大发现，其意义和影响深远。
其一，该事件是人类首次探测到黑洞-中子星系统，证实了黑洞-中子星系统的存在；
其二，对该系统和未来更多的此类系统的研究将会持续发酵，全面提升对（双）恒星结构和形成演化的理解，揭示它们在宇宙中的分布；
其三，结合引力波信号和电磁对应体的探测，此类系统提供了研究中子星结构和黑洞视界附近辐射过程、检验黑洞物理和引力理论等独特的实验室。遗憾的是，到目前为止还没有任何有关此次事件的电磁对应体被探测到的消息。若此类系统的电磁对应体未来被探测到，则其将是继GW170817电磁对应体国际大联测后的又一次天文盛宴。（蔡琳）
受访专家：陆由俊，中国科学院国家天文台引力波天体物理研究团组首席研究员、中国科学院大学岗位教授，主要从事引力波天体物理、黑洞物理、类星体和活动星系核、星系宇宙学等研究。