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科學家證實，引力波探測器已經觀測到了第二次中子星并合事件，結果出乎意料地與預期不同。

作為全球合作項目的成員，來自ARC引力波探索卓越中心（OzGrav）的澳大利亞科學家通過研究事件產生的引力波，有史以來第二次觀察到兩個大質量致密天體即中子星的并合事件。周一（2020年1月6日，譯者注）在檀香山舉行的美國天文學會會議上宣布了結果。

此次并合事件（稱為GW190425）在2019年4月25日被三臺激光干涉儀之一觀測到，并產生了一個新天體，其質量似乎遠高于此類事件的預期。

主中子星的質量是太陽質量的1.61-2.52倍，而次中子星的質量是太陽質量的1.12-1.69倍。并合后，新天體的質量大約是太陽質量的3.4倍。事件本身釋放出的能量是太陽質量的1.44倍，以引力波的形式輻射到太空中。

由于事件發生時只有兩臺干涉儀在工作（并且只有一臺干涉儀探測到信號），因此無法精確確定事件在天空的位置，但科學家估計此事件的光度距離范圍為5.186-5.251億光年。

中子星是致密的天體，直徑通常約20km，不比一個城市大多少。將3.4倍太陽質量的物質擠入如此小的空間，中子星因而變得極其致密。

迄今為止，觀測到的質量最大的中子星是PSR J0740+6620，其質量是在2019年9月確定的，約為2.14倍太陽質量。一般認為，質量超過2.16倍太陽質量的中子星，其引力會克服自我維系的力，進而坍塌成一個恒星級質量的黑洞。

使問題進一步復雜化的是，迄今沒有觀察到小于5倍太陽質量的恒星級黑洞，因此，這些新發現對我們對天體物理學家稱之為質量間隙（mass gap）的中間區域的理解提出了有趣的問題。

OzGrav的博士后朱興江說：“并合天體的總質量大得驚人，遠遠超過了任何先前已知的雙中子星系統，包括2017年探測到的雙中子星。這促使我們思考此事件的本質以及此種信號源是如何形成的。”

如今，科學家正在審查這些發現，考慮了許多可能的選項，例如中子星與黑洞的并合，或者產生處于質量間隙的黑洞。另外，一個全新的雙中子星系統可能會導致異常大的并合質量。

雙中子星并合產生GW190425的藝術圖示。圖片來源：National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

澳大利亞機構為發現做出貢獻

這些發現是通過澳大利亞自己的引力波天體物理學組織OzGrav宣布的，該組織旨在通過諸如量子壓縮、超級計算機算法開發以及引力波事件探測等新興物理領域科學家的合作，使澳大利亞在引力波天文學這一新領域占有一席之地。

此過程中，該中心還打算圍繞諸如黑洞之類的引人入勝的話題在澳大利亞公眾中引起宣傳和興趣，間接激發年輕人參與基于STEM（科學、技術、工程、數學，譯者注）的學習和活動。

OzGrav也是國際合作的一部分，這是一個由全球1500名科學家組成的聯合體，還包括澳大利亞國立大學，查爾斯斯特大學，莫納什大學，斯威本科技大學，墨爾本大學，西澳大利亞大學和阿德萊德大學。其他參與的澳大利亞機構包括CSIRO和澳大利亞天文臺。

如何探測引力波？

對引力波的直接探測直到近期才成為可能，通過建造稱之為激光干涉引力波天文臺（LIGO）的大型裝置，我們可以直接探測到引力波。

當前，全球共有三臺探測器，兩臺位于美國，相距約3000公里，分別位于華盛頓的漢福德（Hanford, Washington）和路易斯安那的利文斯頓（Livingston, Louisiana），第三臺位于意大利比薩（稱為EVirgo）。協作的下一階段預計將有第四臺探測器上線，該探測器目前正在日本岐阜縣的地下深處進行開發（稱為KAGRA天文臺）。

干涉儀是目前人類創造的最靈敏的儀器之一，能夠檢測到只有質子寬度的1/1000的位移。這是通過沿兩個互相垂直的真空軸發射4公里的激光來實現的，其中一個特殊的鏡子將光反射回探測器。

LIGO激光器的內部工作原理–激光射入分光器，然后沿著4公里的隧道前進，在測試質量處被反射，然后返回以合成推斷圖像。圖片來源：LIGO。

“此次探測表明了對已經非常靈敏的引力波探測器進行持續改進的重要性，因為在最新升級之前，探測器是無法觀察到此次事件的。OzGrav在這些升級中扮演著至關重要的角色，其中之一涉及減少探測器中的量子噪聲。” OzGrav的博士后Vaishali說。

引力波會擠壓和拉伸地球（及其上的所有物體，包括人類），但幅度很小。當引力波通過天文臺時，探測器的靈敏度足以記錄這種變化并記錄下事件。

通過在不同位置安裝多個探測器，多探測器協作可以排除任何局部干擾（包括在真空管上行走的烏鴉），并且可以更好地在空中定位事件的來源。

科學檢查：中子星和黑洞

中子星數十年來一直吸引著科學家（和科幻作家）。它是我們宇宙中非常極端的一種天體，因為它們在邏輯上無視我們對日常物理學的理解，尤其是我們所熟知的引力。

中子星是在質量遠大于太陽的大質量恒星的劇烈死亡期間形成的。取決于恒星的原始質量，不同恒星會有不同的歸宿。

像我們的太陽這樣的恒星，會將它的外層物質噴離，留下一個約地球大小的熾熱核，稱為白矮星。

對于質量更大的恒星，引力足以將電子和質子推到一起，從而形成一個如城市大小的小型天體-中子星。這些天體質量和密度都非常大，其一茶匙的物質重達一千萬噸-大約相當于一個800m邊長的地球立方體的質量。

由于如此大的密度，中子星具有巨大的引力場-比地球強約2000億倍。它們還具有強大的磁場并以每秒幾萬次的速度快速旋轉，這是超新星期間恒星向內坍縮的結果。

一些中子星從它們的兩極發射無線電波，這些無線電波就像掃過黑暗海洋的燈塔光束一樣掃過地球。這些中子星被稱為脈沖星，天體物理學家已經能夠極其精確地測量這些星體的自旋。

最后，當恒星質量非常大時，星核向內坍縮并不會停止于中子的產生，而是一直持續到恒星變成黑洞-一個密度無限的空間區域，甚至連光都無法逃逸。

因此，我們無法直接觀測黑洞，但可以對其產生的效應進行詳細研究。例如，旋渦物質的吸積盤，因為它繞黑洞高速旋轉，可以發射出可觀測的X射線。或是質量較大的物體（如伴星）繞著一個看不見的物體運動的速度可以告訴我們該物體的質量。

自2015年以來，我們從繞轉的雙黑洞產生的引力波中獲取了豐富信息。干涉儀采集的數據中包含的信息可以告訴我們并合前每個黑洞的質量和自旋速率，并合后黑洞的質量以及整個事件輻射到空間的能量。

LIGO聽到的“啁啾”聲-GW150914的引力波信號。圖片來源：LIGO。

GW170817

2017年8月17日，LIGO探測器觀察到了一個旋進過程的引力波信號，這與雙黑洞并合產生的信號不同。這個新的信號（稱為GW170817）歷時更長，并且描述了兩個質量遠小于恒星級黑洞的致密天體的并合。

這是首次觀測到兩個中子星并合事件，稱為千新星（Kilonova）。

由于千新星事件不涉及黑洞，如果引力波的定位足夠好，能夠為電磁望遠鏡指示事件的相應區域，就可以觀察到引力波事件的電磁對應體。

GW170817就是這種情況。在LIGO探測器對事件進行定位后，全球的望遠鏡都將視線轉向該區域，并見證了千新星的電磁信號-短時伽馬射線暴（GRB 130603B），隨后的光曲線表明放射性衰變是在彈出的物質周圍發生的，此結果首次證實這些大規模的劇烈事件（通過核合成）產生了比鐵重的化學元素（例如鍶、金和鉑）。

不幸的是，GW190425的定位很差，這意味著電磁望遠鏡找不到千新星的余輝。但是這種情況肯定會發生，再次向宇宙釋放大量能量并產生大量重元素，終有一天將孕育其他恒星、太陽系以及類地行星。

GW190425的定位。圖片來源：Ben Farr / LIGO。

OzGrav的副研究員Greg Ashton說：“這次事件非常有趣。三臺探測器中的兩臺看到了在最終并合之前持續約128秒的類啁啾（chirp-like）信號。不幸的是，當時有一個探測器沒有在觀測，這意味著天空定位很差。也許是因為這個原因，并且因為它太遠了，所以從該事件中沒有觀測到電磁信號。不過，我們在引力波數據中非常清楚地看到了此次事件，并且可以利用這些數據計算星體的質量、自旋和方向”。

“隨著LIGO探測器靈敏度的提高，可以期待更多激動人心和意外的發現。OzGrav正在與LIGO緊密合作，以提高靈敏度，開發新的儀器和分析技術，”阿德萊德大學OzGrav節點負責人Peter Veitch教授說。

科學家對此事件的真正興奮之處在于并合后物體的質量遠高于先前所觀察到的。

OzGrav的博士后Simon Stevenson表示：“我們說引力波天文學是一種全新且獨特的觀察宇宙的方法，此次事件正是這一說法的完美例證。質量與此次事件差不多的雙星系統，可能在銀河系中不存在，或者常規射電望遠鏡可能完全看不見。”

這一發現是否可能導致找到源于雙中子星的處于難以捉摸的“質量間隙”區域的黑洞？或者說GW190425是否將會告訴我們一些新的關于可以存在且確實存在的雙中子星系統的信息？

在每種可能的情況下，潛在的新科學都在等待著被發現，因為天體物理學家正在探索我們宇宙中發生的某些最劇烈事件的內部運作，以及一些最極端的天體。

譯者簡介：

楊星宇，中國科學院理論物理研究所博士研究生，研究方向為引力理論與宇宙學。

文章來源：SPACE AUSTRALIA