人类首见：黑洞吞下宇宙最致密物质

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人类首见：黑洞吞下宇宙最致密物质是怎么回事，是真的吗？2019年08月21日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                人类首见：黑洞吞下宇宙最致密物质
                               
                                2019年8月14日，位于美国和意大利的引力波探测器同时捕捉到一个来自遥远星空的信号。人类，首次观测到黑洞与中子星并合产生的引力波信号。
                               
                               


图片来源：Carl Knox, OzGrav ARC Centre of Excellence

大约8.7亿年前，两颗死亡的恒星相遇。这次激烈的碰撞激起一阵时空涟漪，以引力波的形式向宇宙各处传播。上周三，位于美国的LIGO和意大利的Virgo引力波探测器同时捕捉到这个来自遥远星空的信号。21秒后，全球天文学家的手机与电脑收到系统发送的消息。人类，首次观测到黑洞与中子星并合产生的引力波信号。

来源 | 科学美国人
撰文 | Charlie Wood
编译 | 吴非

北京时间8月15日5时11分18秒，位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利的Virgo引力波探测器同时观测到一组引力波信号。

2015年9月，LIGO首次观测到两个黑洞碰撞产生的引力波信号。消息在次年公布后，成为年度最重磅的科学新闻，三位贡献巨大的物理学家也在2017年迅速摘得诺奖。第一组引力波信号横空出世后，LIGO与Virgo的探测走上了正轨，新的引力波信号不断出现。2017年，它们还首次观测到两颗中子星并合产生的引力波信号。截至目前，LIGO-Virgo已经探测到了十余次来自黑洞，以及两次源自中子星的并合事件。

但是，当最新的观测数据出现在天文学家的面前时，他们却大吃一惊。这一次，LIGO和Virgo为他们找到了前所未见的现象。

“当我看到数据，我的下巴都吓掉了。”LIGO团队成员，加州州立大学富尔顿分校的Geoffrey Lovelace说。

由于发生碰撞的两个天体质量较轻，系统最初无法识别出天体的种类。为此，天文学家不得不寻找伴随这一事件的电磁信号，因为电磁信号只在中子星参与时出现。随后的分析指出，这次的信号是由黑洞和中子星间的碰撞产生的。

这是科学家首次观测到此类现象，也是继黑洞-黑洞碰撞、中子星-中子星碰撞之后，科学家通过引力波信号探测到的第三类天体碰撞事件。如果这一结论最终得到确认，这起名为S190814bv的事件，将使得天文学研究进入全新的纪元：将为科学家理解广义相对论、恒星死亡与神秘天体提供全新的视野。


出人意料的信号

Chad Hanna是宾州州立大学的天体物理学家，他也是LIGO团队的成员，负责为LIGO探测到的事件进行快速分类。Hanna说，事件发生时，“我立即意识到，这是非常重要的信号。”

根据引力波信号的形态、时长等即时特征，研究团队在20秒之内，就能根据算法分辨出每一次碰撞的类型，这样天文学家能迅速将天文望远镜对准信号出现的天区。很快，全球的科学家开始了接力观测。很快，美国科学家确认，这极有可能是一次源自黑洞与中子星的并合事件。


黑洞吞噬中子星的艺术图。（图片来源：Dana Berry NASA）

今年4月，LIGO-Virgo就捕捉到一次类似的信号，但当时科学家并不能确定这一信号来自深空。模型显示，该事件有七分之一的可能性是来自地面的假信号。换句话说，这样的“假信号”每20个月会出现一次。

相比之下，最新的信号则要“靠谱”得多。天文学家确认，上周最新捕捉到的信号来自宇宙天体并合的置信度超过了99%。也就是说，如果这是假信号，那么这将是1000亿年一遇的假信号。Lovelace说：“当这一数字远远超出宇宙的年龄，你知道它一定是真实的。”

不过，尽管S190814bv的置信度如此之高，但目前科学家仍不敢断言，此次碰撞的双方一定是黑洞与中子星。一个重要的隐患，是其中一颗天体的质量。根据现有的数据，所有黑洞的质量都在5个太阳质量以上，而所有中子星都不超过3个太阳质量。

而在最新的碰撞事件中，一个天体可以确定落在黑洞的质量范畴中，但较轻的天体却处在一个尴尬的模糊地带。根据初步观测数据，这颗天体的质量略大于3个太阳质量。如果进一步的观测证实其质量在1~2个太阳质量之间，那么可以确定这是一次中子星与黑洞的碰撞事件；但如果仍旧接近3个太阳质量，就有可能需要改写中子星与黑洞的质量界线。

接下来，LIGO-Virgo团队需要利用当今最强大的模型来检测此次信号。由于模型过于复杂，他们不可能在短时间内就得出结论。值得注意的是，当前的理论模型主要是基于两个质量相近的天体的碰撞。但在最新的事件中，两个天体的质量相差很大。因此，在应用先前的模型时，科学家需要格外谨慎。


黑洞如何吞下中子星

最初，LIGO两台探测器中的一台与Virgo共同发现了该信号；第二天，科学家从LIGO另一台探测器中手动得到了数据。来自三台探测器的数据能让科学家更精确地定位事件发生的位置。

精确的定位将信号来源限制在相当于天图面积0.06%的狭小区域。在这里，天文学家可以尽情寻找可能伴随中子星死亡的伽马射线与可见光。“理论上，覆盖这片区域是很快的。”美国布兰迪斯大学的宇宙学家Marcelle Soares-Santos说。

黑洞与中子星相遇的画面是怎样的？没有人能给出确切的答案，但天文学家预测了两种可能的结局：或许，黑洞巨大的引力将中子星撕碎，后者只余下发光的遗骸，一步步被黑洞吞噬，光芒逐渐变得黯淡，直至消失殆尽。另一种可能性是，我们什么都看不见，因为黑洞一口气就将整个中子星吞下。

目前，LIGO-Virgo的模拟倾向于第二种假说，但并无定论。而第一次观测，即使什么都没有看见，也能为揭开这个谜题提供有用的信息。“如果没有相伴的电磁辐射，将对现有的理论造成巨大冲击。”Soares-Santos说。


探索中子态

对于物理学家而言，发现黑洞-中子星的并合有着重要意义。

首先，这项发现将帮助科学家认识神秘天体——中子星。中子星内部含有宇宙中最致密的物质（黑洞并不是物质，而是极端弯曲的时空），但物理学家对其内部结构知之甚少。而中子星的内部构成，与其密度、体积等特征相关。例如，如果中子星中的物质以基本粒子的等离子体形式存在，那么特定质量的中子星体积应该更小。

此次观测到的引力波的精细结构、能否观测到闪光，都将帮助物理学家限制中子星的体积与密度。“对于核物理学家而言，此次观测如同圣杯。”加州大学伯克利分校的博士后Ben Margalit说。

黑洞吞噬中子星的事件，也可以为在极端条件下验证广义相对论提供绝佳的场所。此前，物理学家尝试在黑洞周围这样引力极强的环境下检验广义相对论。这样的尝试已经足够困难，而现在，加上高温、动荡、磁化的中子星物质（中子态），将进一步提升验证广义相对论的挑战性。

退一万步说，即使上周观测到的时空涟漪没能直接帮助我们解释上述问题，研究人员也相信，它是一系列类似观测的开端。从今天开始，一扇研究宇宙物理的门正徐徐打开。

原始链接：
https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-spy-a-black-hole-devouring-a-neutron-star/