神秘的引力波,科學家難以判斷其真實身份,是黑洞還是中子星?

姿勢分子knowledge 發佈 2020-06-25T17:57:20+00:00

最近,科學家們在宇宙中發現了一顆神秘的引力波源,來自於一顆黑洞的饕餮事件。可是,對於那顆被黑洞吞噬的天體,科學家們卻犯了難,甚至完全不知道它到底是一顆黑洞,還是一顆中子星。

最近,科學家們在宇宙中發現了一顆神秘的引力波源,來自於一顆黑洞的饕餮事件。可是,對於那顆被黑洞吞噬的天體,科學家們卻犯了難,甚至完全不知道它到底是一顆黑洞,還是一顆中子星。

(圖片說明:新發現天體的神秘身份讓科學家犯了難)

事情還要從去年8月說起,當時雷射干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)合作發現了一顆黑洞吞噬中子星的事件。可是,這次名為GW190814到現在反而出現了重重迷霧,因為他們對於那顆被吞噬天體的身份,產生了深深的懷疑。而讓科學家存疑的關鍵,就在於它的質量。這事,還要從恆星的演化說起。

恆星的末日

我們都知道,中子星和黑洞都是大質量恆星死亡後留下的緻密星。

理論上說,一顆質量為太陽8-30倍的恆星在超新星爆發後,會將絕大部分物質吹散到宇宙空間,只留下一個核心。對於這種恆星來說,即使是殘留的核心也非常重,質量可以超過太陽的1.4倍。在這個過程中,電子簡併壓已經承受不住巨大的壓力,導致電子被擠壓進原子核,與原子合併為中子,於是就形成了中子星。

同時,原質量大於太陽30倍的恆星爆發後,殘留的內核質量也將突破托爾曼·奧本海默·沃爾科夫極限(TOV極限),也就是我們說的奧本海默極限。在這種情況下,這顆內核就會繼續坍縮,變成一個黑洞。

(圖片說明:奧本海默極限是區分黑洞與中子星的臨界點)

這個說法已經足夠明確:中子星的質量不會超過奧本海默極限,黑洞也不可能比這個極限質量更小。然而實際情況是:我們目前還沒發現過臨界值附近的中子星或者黑洞,從沒有一顆質量超過太陽2.3倍的中子星或者小於太陽5倍質量的黑洞被發現。很多人甚至猜測,在中子星和黑洞之間,可能還有一種叫做夸克星的天體。對於這個斷層,科學家稱之為質量空白(mass gap)。

GW190814的出現,填補了這個空白,卻也帶來了新的問題。

神秘的身份

通過引力波的探測,科學家發現,GW190814中較大的黑洞質量約為太陽的23倍,是一顆典型的恆星級黑洞。而另一顆的質量則是太陽的2.6倍,十分接近臨界值。

這個數字讓它的身份非常尷尬,讓科學家很難下結論:我們發現的到底是最大的中子星,還是最小的黑洞呢?

伊利諾州西北大學的天體物理學家Vicky Kalogera表示:「這顆神秘的天體可能是與黑洞合併的中子星,這種可能值得期待,但是又未完全證實。它的質量是太陽的2.6倍,超過了現代對於中子星質量上限的預測,反而可能成為史上最輕的黑洞。」

奧本海默極限

科學家之所以有這樣的困惑,就在於沒有人知道奧本海默極限到底是多少。此前我們認為大約是太陽質量的3倍,但目前的理論認為它介於太陽質量的2.2-2.4倍之間。

2017年,天文學家同樣是藉助LIGO和Virgo合作的項目,發現了中子星合併事件GW170817。其中一顆中子星的質量被測定為太陽的2.7倍,也超過了奧本海默極限,但最終被證明數據有誤,實際質量只有太陽的2.3倍。

(圖片說明:藝術家模擬GW190814的動畫)

科學家認為,質量落在這個範圍內的天體,本就有可能在兩種形式的緻密星中都有存在。本次觀測GW190814的團隊就計算得出:如果按照太陽質量的2.3倍來算,那麼這顆天體是中子星的機率僅有3%。研究人員也在論文中指出:「GW190814可能不是中子星-黑洞結合的產物,雖然我們初步分析後給出了這樣的分類。不過即便如此,由於(奧本海默極限的)尚未確定,所以伴星是中子星的可能性也不能完全消除。」

實際上,GW190814帶來的疑惑還不止這一個。更加讓科學家們頭疼的,還在後面。

(圖片說明:GW190814黑洞吞噬中子星的模擬動畫)

驚人的差距

在此之前,我們利用引力波發現的緻密星合併事件都是在兩顆質量比較接近的天體之間發生的。今年早些時候,科學家發現一對質量比達到3:1的天體合併事件就已經非常興奮了,而GW190814則更加誇張,達到了9:1

根據現有的理論,這樣的雙星系統形成大概有兩種模式。

  • 兩顆恆星誕生於同一片星雲,一起度過一生然後死亡,留下兩具殘骸;
  • 二者各自獨立形成,但是後來走到了一起,成為了「半路夫妻」。

(圖片說明:藝術家模擬引力波發現的極不對稱的撞擊事件畫面)

問題在於,不論是這兩種理論中的哪一個,都不太可能會出現如此懸殊的質量比。考慮到GW190814被發現的時候,距離人類第一次發現引力波(2015年)才只有4年的時間,我們有理由相信這樣的情況在宇宙中可能非常常見。這意味著,我們的理論再一次遭到了挑戰。

同時,這樣的質量差也給這次合併事件更增加了一層神秘的面紗。如果質量相對比較接近,我們可以探測到二者合併過程中的「激烈搏鬥」。而這樣懸殊的質量差,用Kalogera的話說,簡直就是遊戲里的小人吃豆豆,小的天體一下子就被大的天體吞噬,根本沒有留下太多可以觀測的信息。

(圖片說明:科學家對利用引力波發現的天體撞擊事件匯總圖片,看得出來絕大部分的質量差距都極小,而本次發現的GW190814位於中間,質量差距非常驚人)

而且,GW190814發生在大約8億光年以外,如此遙遠的距離也給觀測帶來了一定的難度。要知道,2017年時我們觀測到的一次雙中子星合併,不僅釋放出可以探測的閃光,而且距離也只有這一次的1/6。

空白=未來

我們不太可能通過GW190814來獲得本次合併的信息,如果想要破解這些謎題,只能通過發現更多類似的緻密星合併事件來尋找蛛絲馬跡。包括所謂的質量空白,或許只是因為我們的觀測還不夠多,也許越來越多2.3-5倍太陽質量之間的緻密星會在未來被發現。

(圖片說明:藝術家模擬兩個質量相差9倍的黑洞螺旋合併過程中的畫面)

可以肯定的是,這一次事件暗示著一個非常廣闊的未來,我們還有大量的理論需要建立,或者是重建。關於宇宙,我們還有太多的課需要上。如果宇宙是一條河,我們所掌握的知識,可能就只是一粒沙吧……

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