人类首次看见：黑洞吞下了宇宙最致密物质

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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。
图片来源：Carl Knox, OzGrav ARC Centre of Excellence
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。
黑洞吞噬中子星的艺术图。（图片来源：Dana Berry NASA）
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-holedevouring-a-neutron-star/

作者：一点资讯