引力波探測在宇宙的「質量鴻溝」中發現神秘天體

星空天文 發佈 2020-06-24T08:16:17+00:00

N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno , Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration。

是中子星還是黑洞?抑或都不是?

計算機模擬的GW190814。在這裡,這對天體被假設為一對黑洞。N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

近日《天體物理學期刊通訊》上刊登了一篇基於LIGO和Virgo引力波天文台探測結果的研究報告,稱在宇宙中發現了一個質量為太陽2.6倍的「緻密」天體。天文學家無法確定這個天體是中子星還是黑洞,抑或是不為人知的新型天體。

天文學家是在一次緻密天體併合事件中發現它的。當時它和一個質量為太陽23倍的黑洞融為了一體,產生了「可感」的引力波信號,被LIGO和Virgo的引力波傳感器探測到。

這個質量為太陽2.6倍的緻密天體引起了天文學家的興趣。因為到目前為止,人們只在宇宙中發現過質量不超過太陽2.5倍的中子星,和質量不低於太陽5倍的黑洞。如何精確劃分這兩者的界限,以及它們之間是否存在不為人知的新型天體仍無人知曉。

這次併合事件引發的引力波事件編號為GW190814,發生在距離地球約8億光年遠的地方,產生了一個質量大約為太陽25倍的黑洞。併合事件的兩個始作俑者質量相差9倍,是迄今為止質量最懸殊的一對引力波源。在此之前質量相差最大的引力波源是GW190412,那是兩個黑洞,其中一個黑洞的質量是另一個的4倍。

現有理論對於解釋GW190814而言已經勉為其難。這對天體中質量較小的那個究竟是什麼無法確知。如果說它是中子星,那麼它的質量已經超出了理論預言的中子星質量上限。所以它也有可能是一個黑洞。

值得注意的是,儘管在併合事件的引力波信號被探測到之後很短的時間內,全球各地許多天文台進行了跟進觀測,卻沒有發現任何與之相對應的電磁波信號。與之相比,發生在2017年的中子星併合事件引力波信號GW170817被探測到之後不久,全球各地的天文望遠鏡都發現了與之相對應的電磁信號。

理論上,中子星併合確實會引起電磁波爆發,而黑洞併合可以在漆黑一團中進行。但對於GW190814之所以沒有產生可見光,可能也有多方面的原因。其一是事件的發生地距離地球十分遙遠,比2017年的中子星併合事件遠6倍。因此對光信號進行檢測十分困難。其二,假如併合雙方都是黑洞,那麼併合過程不會發出任何閃光。其三,假如質量較小的那個天體是中子星,那麼質量9倍於它的黑洞伴侶可能會把它整個吞下,也不會發光。但是就當前的技術能力而言,人們還不能對後兩種情況加以區分。

計算機模擬的GW190814。在這裡,這對天體被假設為一對黑洞。N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

[參考] LIGO-Virgo Finds Mystery Object in "Mass Gap", www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200623; GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object, iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab960f

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