【博科园-科学科普】如果广义相对论和牛顿引力有一个主要区别，那就是在爱因斯坦的理论中没有什么是永恒的。即使你有两个完全稳定的质量在轨道周围的轨道，它们的轨道不会被改变，失去的物质或者其他改变——它们的轨道最终会衰变。而在牛顿引力中两个质量会绕其相互作用的引力轨道运行而且是永恒的。相对论告诉我们在每一个质量通过引力场加速的每一个瞬间，都有少量的能量丢失，能量不会消失，但会以引力波的形式被带走。在足够长的时间周期内，足够的能量被辐射出去，这两个绕轨道的物体将会相互接触并结合在一起。现在LIGO已经三次看到黑洞的发生。但它可能即将迈出下一步，看到中子星第一次合并。
在合并时由双中子星系统发射的引力波的三维（3D）绘制图。中心区域(密度)被拉伸到5倍，以获得更好的能见度。图片版权：AEI Potsdam-Golm
任何在这个引力场中被捕获的物体都会发出引力波，导致它们的轨道衰变。
LIGO探测到黑洞合并的原因有三个：
1、他们质量非常巨大
2、它们是宇宙中密度最大的物体
3、它们在最终的合并阶段以正确的频率运行而被LIGO的激光武器探测到
这一组合：大质量、短距离和正确的频率范围——给了LIGO团队一个巨大的搜索区域，他们对合并黑洞很敏感，在数十亿光年之外，这些巨大灵感的涟漪甚至可以在地球上感受到。
尽管黑洞应该有吸积盘，但黑洞合并产生的电磁信号应该是无法探测到的。如果有电磁对应物，它应该是由中子星引起的。图片版权：NASA / Dana Berry (Skyworks Digital)
宇宙中还有许多其他引起巨大的引力波的物体。星系中心的超大质量黑洞吞噬着气体云、行星、小行星，甚至还有其他恒星和黑洞。不幸的是由于视界是如此之大，它们在轨道上的时间太长了，并且在错误的频率范围内LIGO未能看它们。白矮星、双星和其他行星系统也存在同样的问题：这些天体物理太大，因此需要很长时间才能进入轨道。它们都花了很长时间，事实上我们需要一个基于太空的引力波天文台——就像丽萨一样去看它们。但LIGO还有另一个希望，那就是将中子星合并在一起（体积庞大，密度大，频率合适）。
当两个中子星相互环绕时，爱因斯坦的广义相对论预言了轨道衰变，以及引力辐射的发射。在合并的最后阶段——在引力波中从未观测到——振幅应该如此之高，以至于LIGO可以探测到它们。图片版权：NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
中子星可能不像黑洞那么大，但它们的质量可能高达太阳质量的数倍，大约是之前探测过的LIGO事件质量的10 - 20%。它们几乎像黑洞一样密度紧凑，物理尺寸只有10公里左右。即使黑洞坍缩成奇点，它们仍然有一个视界，而中子星的物理尺寸仅仅比黑洞的视界大小大得多。他们的频率特别是在合并的最后几秒钟，LIGO敏感能力便能探测到它。
如果一个事件发生在正确的地方，这里有五个令人难以置信的事实，我们可以学习：
TOP1、合并中子星真的会产生伽马暴吗？
在两个中子星的吸入和合并过程中，应该释放出大量的能量，以及重元素、引力波和电磁信号，如这里所示。图片版权：美国航天局/喷气推进实验室
这里有一个令人难以置信的想法：短的伽马射线爆发，它是令人难以置信的能量，但持续不到两秒钟，是由合并中子星引起的。它们发生在那些没有形成新恒星的旧星系中，表明只有恒星的尸体才能解释它们。但是直到我们知道了什么导致了一个短的伽马射线爆发，我们不能确定是什么导致了它们。如果LIGO能够探测到引力波中一对中子星的合并，我们就可以在随后看到一个短的伽马射线爆发，这将最终验证和验证天体物理学中最有趣的一个想法。
TOP2、当中子星碰撞时它们的质量中有多少不会变成黑洞？
如这里所示两颗合并的中子星会螺旋进入并发射引力波，但比黑洞更难探测。然而与黑洞不同，它们应该将其质量的一小部分喷射回宇宙中，在我们所知道的最重元素中，它占了相当大的一部分。图片版权：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc
当你观察元素周期表中较重的元素，并问它们是如何制作的，你可能会认为“超新星”就是答案。毕竟这通常是天文学家讲述的故事，而且部分是真实的。但元素周期表中最重元素——水星、金、钨、铅等——实际上是由中子星碰撞产生的。大部分的质量，大约在90 - 95%，从中子星开始形成一个单一的黑洞在中心，但是其余的外层被抛出，形成了我们银河系中大部分的这些元素。(注：如果两颗合并中子星的质量之和低于某一阈值，它们就会形成中子星而不是黑洞。这应该很少见，但并非不可能。到底有多少被抛出？如果LIGO检测到这样的事件，就可以告诉我们答案。
TOP3、LIGO能看到合并中子星的距离有多远？
这里展示了先进的LIGO的范围和探测合并黑洞的能力。合并中子星可能只有十分之一的范围和0.1%的体积，但是如果中子星足够充足的话，LIGO可能也有机会。图片版权：LIGO Collaboration / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas of the Universe
这不是一个关于宇宙本身的问题，而是关于如何接近设计灵敏度的高级LIGO已经得到的问题。对于光来说如果物体的距离是10倍，那么它的亮度只有1 / 100，但对于引力波来说，一个物体10倍的距离有一个引力波信号，仍然是1 / 10。黑洞可能在几百万光年的距离上观察到LIGO，但如果它们在我们最接近的大星系团中合并，那么中子星可能只有可见的。如果我们看到一个就能真正知道我们的设备有多好……。
TOP4、中子星合并的余辉是怎样的？
当两颗中子星合并时就像在这里模拟的那样，它们应该会产生伽玛射线暴流，以及其他的电磁现象，如果它们离地球足够近的话，可能会出现在我们的一些最伟大的观测站中。图片版权：NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz and L. Rezzolla
我们知道在少数情况下，与中子星碰撞一致的强大事件发生了，而且它们有时会在其他电磁波段留下标记。不仅应该有合理的伽马射线的机会，而且还可能有紫外线、光学、红外线或无线电。或者可能会有一个多光谱对应，出现在所有五个这样的条带中。由于中子星的合并非常接近(LIGO可以探测到它)，我们可能有一个真正的机会进入大自然最令人难以置信的观测之一。
TOP5、第一次我们可以将引力波天文学与传统的(基于光的)天文学结合起来
中子星虽然主要由中性粒子组成，但却产生了宇宙中最强的磁场。当中子星合并时，它们应该同时产生引力波和电磁信号。图片版权：NASA / Casey Reed - Penn State University
以前的LIGO事件很壮观，但没有办法通过望远镜看到合并，毕竟整个场景有两个问题：
1、事件位置不能精确地由两个检测器决定，即使在原理上也是如此
2、黑洞合并不被认为有一个明亮的电磁(光)相对应
现在室女座正在运行并与孪生LIGO探测器同步，我们可以对在太空中发生的引力波事件做出更大的决定。但更重要的是因为中子星的合并应该有一个电磁对应物，这可能标志着第一次引力波天文学和传统天文学可以用来观测宇宙中的同一事件！
两个中子星的吸入和合并，如图示应该产生一个非常特殊的引力波信号，但合并的时刻也应该产生独特的电磁辐射，这是可以识别的。图片版权：NASA
我们已经进入了天文学的新时代，在那里我们不仅使用望远镜，还使用干涉仪。我们不仅仅是利用光，还有引力波来观察和了解宇宙。如果合并中子星暴露在LIGO上，即使这些事件很罕见而且探测率很低，这意味着我们将越过下一个边界。引力的天空和以光为基础的天空将不再是陌生人。相反我们将更进一步了解宇宙中最极端的物体是如何实际工作的，我们将有一扇窗户进入我们人类从未有过的宇宙。
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
联系客服
