時空漣漪揭示黑洞吞噬中子星_風聞

一個黑洞可以撕裂一顆中子星，就像在這個模擬中一樣，或者它可以將它整個吞下。

 （可視化）T. 迪特里希/N。費舍爾/S。奧索金/H. 菲佛/T。武; (模擬) V. CHAURASIA/T. 迪特里希時空漣漪揭示黑洞吞噬中子星

通過Adrian Cho2021 年 6 月 29 日上午 8:00

稱其為金剛與哥斯拉的天體物理學等效：科學家們發現了兩個黑洞吞噬中子星的實例，中子星是一顆中等質量的恆星燃燒並爆炸時留下的超密度核物質球體。巨大物體之間的劇烈合併是通過碰撞發出的時空漣漪或引力波檢測到的。此前，科學家們已經發現了黑洞-黑洞或中子星-中子星的合併，並焦急地等待着發現這種混合對。

“大多數人懷疑有黑洞與中子星合併，但這是我們第一次自信地看到這一點，”西北大學引力波天文學家瑪雅·菲什巴赫説，他幫助做出了這一發現。然而，對於這兩個事件，天文學家都沒有看到可見光或其他電磁輻射，這讓他們渴望合併，在這種合併中，一個黑洞將一顆中子星的發光內臟散佈在天空中，並有助於揭示其秘密。

五年前，物理學家首次探測到引力波，當兩個巨大的黑洞盤旋並融合在一起時會發出引力波。這一發現是由激光干涉引力波天文台 (LIGO) 發現的，這是位於路易斯安那州和華盛頓州的一對大型光學儀器，它使用激光束以令人難以置信的精度測量空間的拉伸。

一年後，位於意大利的歐洲室女座引力波探測器加入了搜尋，幾天之內，這三個探測器就發現了兩顆旋轉在一起的中子星。合併的中子星引發了一種稱為伽馬射線爆發的閃光，然後是一種稱為千新星的爆炸，將新形成的元素噴入太空。望遠鏡在電磁波譜上觀測到這些煙花，使天體物理學家能夠限制中子星物質的特性，檢驗他們的伽馬射線暴理論，並更好地瞭解重元素的起源。

那次中子星合併激起了許多研究人員對第三種顯然會產生引力波的宇宙災難的興趣：黑洞和中子星的合併。一些天體物理學家認為，這樣的事件會更具啓發性，因為無特徵的黑洞——坍縮到一定程度的大質量恆星留下的超強引力場——撕裂了更復雜的中子星。他們希望這樣的碰撞能夠以前所未有的方式闡明中子星的結構。

現在，LIGO 和 Virgo 團隊發現了兩個期待已久的事件。較強的信號在 2020 年 1 月 15 日觸發了所有三個探測器，並且數據表明，起源於一個估計有六個太陽的黑洞吞噬了一顆質量為 1.5 個太陽質量的中子星。十天前，研究人員發現了一個 9 個太陽質量的黑洞與一顆 1.9 個太陽質量的中子星合併。LIGO 和 Virgo 團隊今天在《天體物理學雜誌快報》上報告説，這兩個事件都發生在大約 10 億光年之外。

LIGO 和 Virgo 的研究人員現在也排除了他們之前認為可能是黑洞-中子星合併的一些事件。例如，2019 年 8 月發現的地震現在似乎涉及黑洞與質量為太陽 2.6 倍的物體的合併，該物體太重而不能成為中子星。它可能是一個奇怪的、非常輕的黑洞。

不幸的是，對於天體物理學家來説，無論是黑洞-中子星合併，都沒有產生掃描它們位置的電磁望遠鏡可見的爆炸。LIGO 團隊成員 Fishbach 説，這可能是因為它們離我們太遠了，也可能是因為黑洞簡單地吞噬了整個中子星。布賴恩梅茨格説，如果黑洞比中子星質量大得多（其重量不能超過約 2.2 個太陽質量），或者如果黑洞正在緩慢旋轉，那麼黑洞很可能會完全吞噬中子星，哥倫比亞大學和熨斗研究所的理論天體物理學家。

梅茨格解釋説，只有當中子星在落入黑洞之前可以在與其半徑相等的距離內（大約 12 或 13 公里）環繞黑洞時，這種合併才會撕裂中子星並引發爆炸。但是中子星能繞多近的距離取決於黑洞的質量和自旋，如果黑洞旋轉得更快，中子星就能繞得更近。理論預測，一個旋轉速度儘可能快的太陽質量的黑洞仍然應該撕裂中子星併產生爆炸。如果一個不旋轉的黑洞的質量只有五個太陽質量，它就會消耗整個中子星。

梅茨格説，LIGO 已經發現了十幾個黑洞對，迄今為止它的數據表明，大多數黑洞旋轉緩慢，可能會吞下整個中子星。“我認為人們只是假設他們會更快地旋轉。” 梅茨格説，隨着這一觀察，人們意識到黑洞-中子星合併引起的爆炸可能很少見，尤其是因為 LIGO 和 Virgo 對較重的黑洞更敏感。

儘管如此，來自兩個新事件的數據表明，每立方光年的空間，黑洞-中子星合併的數量超過了黑洞-黑洞合併的數量，菲什巴赫説。（雖然數量較少，但可以在更遠的地方檢測到更響亮的黑洞-黑洞信號。）因此，LIGO 和 Virgo 仍然有可能在每個人都熱切期待的燈光秀中發現黑洞-中子星合併，Fishbach 説：“我們的未來仍有一些非常令人興奮的第一次。”