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10亿年前,黑洞和中子星上演宇宙大碰撞,今天终于被人类观测到

致密星是宇宙中最诡异、最极端的天体,它们的存在会给周围的空间带来巨大的影响。当它们碰撞在一起,势必将会上演一场恐怖的宇宙灾难。

致密星分为三种,白矮星,中子星和黑洞。白矮星看起来最“不起眼”,但本身也相当恐怖,每立方厘米的质量就超过1吨。中子星更加夸张,每立方厘米甚至可以达到1亿吨以上。至于黑洞,如果单纯看奇点的话,密度则是无限大的。

(图片说明:中子星-黑洞双星假想图)

那么,如果致密星中最恐怖的两个——黑洞和中子星遇到了一起,会发生什么呢?

我们知道,这样的宇宙大碰撞,一定会在某个角落发生的,却始终苦于没有足够强大的观测能力来发现它们。如今,科学家们终于确认了来自于黑洞和中子星的剧烈碰撞。它们的碰撞掀起了巨大的时空涟漪,直到10亿年后的今天,依然能够在宇宙中传播,最终被我们发现。这种时空涟漪,就是我们发现它的工具——引力波。

(图片说明:引力波示意图)

引力波,是爱因斯坦的广义相对论在一百多年前预言的现象,不过直到100年时间过去了,人类才掌握了证明并探测引力波的技术。2016年2月11日,科学家宣布,他们在2015年正式利用引力波进行了一次双黑洞碰撞的观测,验证了爱因斯坦百年来的预言,也为人类获得了新的宇宙探测工具。

科学家能够发现引力波,离不开强有力的观测设备。这次历史性的突破,来自于两大观测站的帮助,那就是位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)以及位于意大利的室女座干涉仪(Virgo)。

(图片说明:双黑洞碰撞可以产生引力波)

这次发现可以说是为人类的天文学打开了一扇新的大门,在接下来这5年的时间里,科学家们一共观测到了差不多50次引力波事件,其中包括双黑洞之间的碰撞,双中子星之间的碰撞,甚至还有双白矮星的碰撞。奇怪的是,关于中子星(neutron star)和黑洞(black hole)的碰撞事件——NSBH双星——却从未被发现过。

理论上来说,黑洞和中子星的碰撞,也是可以利用引力波进行探测的。但这样的事件一直是一个空白,也令科学家们非常困扰。不过,这样的迷惑最近终于得到了完美的解决,科学家们终于在历史上首次观测到了NSBH双星碰撞事件,而且一下就发现了两个,正式填补了这个空白!

(图片说明:NSBH双星艺术图)

来自于澳大利亚莫纳什大学ARC引力波发现卓越中心的天体物理学家Rory Smith兴奋地说:“这在引力波天文学的全新领域来说是一个伟大的里程碑!中子星和黑洞的合并,是宇宙中最为极端的现象之一。对这种碰撞事件的观测,可以打开了解基础物理学知识的通道,也可以了解恒星的诞生、存在以及死亡。”

据介绍,这两次NSBH双星碰撞事件分别被命名为GW200105和GW200115,其中GW就是引力波的英文gravity wave的首字母缩写,后面的数字代表着发现的时间。可以看出来,这两次引力波的发现相隔仅有10天,这几乎可以说是同时发现的了。对于一个空白的领域,一下子就有两次发现,实在令人庆幸。

(图片说明:中子星和黑洞之间的旋转)

来自于国际LIGO、Virgo和Kagra合作组织的研究人员介绍说:“在2020年1月的时候,LIGO-Virgo探测器网络灵敏地观测到了两组致密双星的引力波信号,这与中子星-黑洞双星的特征是符合的。这意味着,我们获得了第一个不论是任何方法发现NSBH双星的确切证据。”

同时,他们进一步介绍了两次引力波事件的一些细节——

  • GW200105:在2020年1月5日日观测到,其中黑洞的质量大约是太阳的8.9倍,中子星的质量是太阳的1.9倍。它们位于距离地球9亿光年的位置上,意味着二者在9亿年前就发生了碰撞,产生的引力波经过漫长的岁月和宇宙空间,被今天的人类所捕捉到;

  • GW200115:比前者更加古老,产生于10亿年前,其中黑洞的质量是太阳的6倍,中子星的质量是太阳的1.5倍。

(图片说明:中子星向黑洞下落)

通过质量,我们就可以判断出两个天体的身份——超过奥本海默极限的就是黑洞,而且是恒星级黑洞;质量较小的天体也在钱德拉塞卡极限之上,因此可以判断其身份是中子星。二者的合并,也可以说是黑洞无情地吞噬了中子星,壮大了自己,变成了更加巨大的黑洞。

来自于澳大利亚国立大学的天体物理学家Susan Scott表示:“这两次碰撞从核心处开始撼动了整个宇宙,并且在宇宙中掀起了涟漪,最终被我们检测到。其中的每一次碰撞,都不仅仅是两个巨大而又致密天体本身那么简单,这就像是吃豆豆的游戏一样,黑洞将围绕着自己的中子星一口吞掉。”

(图片说明:黑洞吞噬中子星)

通过这次的两个发现,科学家们终于确定了几十年前推测的中子星-黑洞双星系统的存在,这对于天文学观测来说是一次突破。西北大学的引力波天文学家Maya Fishbach指出:“我们现在终于看到了黑洞与中子星的合并,让我们知道了它们是真实存在的。”

但是,关于这样的组合,科学家们仍然有很多的未知。Fishbach继续说道:“但是,我们对于中子星和黑洞仍然有太多不清楚的东西,比如它们会变得多小或者多大、旋转的速度能有多快、如何形成一对组合并融为一体等等。未来,通过引力波的数据,我们将会通过统计学的数据来回答这些问题,并最终了解到我们这个宇宙中最为极端的天体是如何形成的。”

(图片说明:爱因斯坦)

不得不说,爱因斯坦的确是非常伟大的,他的广义相对论在一百多年并且还将在更长的时间里,指导我们理解这个宇宙。甚至直到今天,广义相对论中的一些预言仍然是人类所无法验证的。

说到这,我竟然想起燕山大学说爱因斯坦和广义相对论是错误的那位教授,以及他说广义相对论是“科学健康发展的一大障碍”的言论。在目前的观测和研究都很好地验证了广义相对论的今天,我也是很好奇,这位教授到底是如何“推翻”相对论的……

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