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除黑洞之外:LIGO第一次探测到中子星合并?

2020-02-14

【博科园-科学科普】LIGO激光干涉引力波天文台实现了物理学的一个圣杯:直接探测引力波,这是第一次但也不是一个孤立的事件,而是LIGO一直在公开的一系列事件中的第一个。在运行的过程中LIGO已经看到了三个重要的信号,它们对应于巨大的双黑洞的合并。

两颗合并的中子星,如图所示会螺旋进入并发射引力波,但比黑洞更难探测。然而它们应该具有光学对应物,这可能导致引力和电磁天空之间的第一种相关性。图片版权:Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

每一种都导致了引力波的释放,因此它们对地球上的双干涉仪进行了压缩和稀薄化,足以在10亿光年之外探测到这些源。现在科学家们思考这样一种可能性,即现在由处女座加入的LIGO可能已经进入了引力波现象的下一个前沿:中子星合并

已知的双黑洞系统的质量包括三个验证的合并和一个来自LIGO的合并候选。相比之下中子星应该不超过3倍的太阳质量。图片版权:LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)

中子星合并和黑洞合并有三个关键区别。因为中子星质量较低但体积更大,它们发出的引力波信号振幅较低周期较长。然而信号的可预测性比之前的合并显示的时间要长得多:几秒钟,几分钟,甚至几个小时,不像大质量黑洞的第二波信号。这意味着我们需要比黑洞更接近中子星,才能看到它们的合并。在目前的LIGO /室女座设置中至少有数亿光年。我们可以探测到它们但我们需要大约10倍的距离才能得到我们从黑洞看到的相同的振幅信号。最后与黑洞不同的是应该有一个光学对应物,由两个如此巨大的紧凑的天体的合并而产生。

如图示两个中子星的吸入和合并,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

科学家早就推测中子星与中子星的合并是快速伽马爆的宇宙起源,这是宇宙中一些寿命最短但高能量的光信号。两个中子星的合并会导致一个巨大的能量释,和一个壮观的反应创造了宇宙中大多数超重元素,是每一个推测创造约一千倍的重元素,超过铁元素周期表。这是宇宙中大多数的黄金、铂、汞、铅和铀的来源,而实际上所有这些元素的存储都来自于此。然而它们也被推测产生了引力波,它们90%以上的混合质量形成了合并后的黑洞。

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

预测这些合并会有多频繁是一项艰巨的任务。我们不知道有多少双黑洞,因为引力波天文学只是开始发现那里。然而如果合并中子星的振幅只有合并黑洞的十分之一,那就意味着它们只能是十分之一的距离……这意味着LIGO /室女座对空间的敏感性只有千分之一,我们可以探测到黑,但为了能够合理地看到一对中子星的合并,它们的数量必须是合并黑洞的数百倍。

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

但事实可能如此,如果我们不去看,那就没有成功的机会,但是寻找中子星是我们可以免费获得的东西,只要这些引力波天文台正在运行。简单的(如果计算密集型)来计算,这意味着它只是从原始数据中提取信号的问题。有三个天文台在一起运行,不仅是LIGO /处女座更敏感,而且它可以工作到三角位置。如果其中一个事件发生,我们将第一次有机会准确地指出在空间的位置。

如图所示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。图片版权:NASA/JPL

这是有趣的,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。这可能被认为是一个很长时间的拍摄类型的情况,考虑到LIGO是多么敏感,以及这样一个信号需要多么接近。但这是可能的而且任何可能的新信号都必须被考虑。就在几天前著名天体物理学家j·克雷格·惠勒(j . Craig Wheeler)在推特上写道:

这条推文引发了天体物理学家们的猜测。图片版权:J. Craig Wheeler / Twitter, via 

这是中子星合并的第一个证据吗?诚然这是一个谣言的泄露,而不是任何与合作有关的人的官方声明,但是当一个世界著名的物理学家发表了一个物理声明时,值得考虑的是它的真实性。如果有一个电磁对等物被寻找,很有可能我们不是在寻找黑洞合并,而是更新颖和令人兴奋的东西!

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)

这可能不是纯粹的空想或一厢情愿的想法。LIGO的发言人David Shoemaker并没有否认这些谣言,也没有否认数据中有什么东西与其他任何东西不一样的可能性。一个非常令人兴奋的观察运行将于8月25日结束。我们期待着在那个时候发布最高级别的声明。但如果你对此感兴趣,你可能会发现在惠勒的谣言之后的4天里,发生了以下的观察。

就在惠勒发布推文的四天之后,哈勃观测到了银河系中一个双星合并的候选者。这可能是一个引力波信号的可疑位置吗?图片版权:Digitized Sky Survey / STScI

上图所示的星系是NGC4993中的一颗双星合并候选行星,于8月22日被哈勃望远镜观察到。有什么值得看的东西吗?两个中子星第一次合并吗?如果是这样的话我们第一次成功地将电磁和引力波空间联系起来了吗?

我们正处在历史上一个不可思议的时刻:在引力波天文学的观测科学诞生之时,未来的几十年将会揭示一系列“第一”,其中应该包括第一个双星中子星的合并,第一个对引力波源的精确定位以及引力波和电磁信号之间的第一个相关性。如果大自然对我们仁慈,谣言是真实的那么我们可能刚刚解开了这三个。

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

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