繼雙黑洞合并、雙中(zhōng)子星合并之後，人類終于首次探測到了黑洞-中(zhōng)子星合并事件。人類具有引力波探測能力不過6年時間，而它給人類帶來的科學成果，已經遠遠超出了我(wǒ)們的想象。

　　6月29日，在一(yī)篇發表在《天體(tǐ)物(wù)理學雜(zá)志(zhì)快報》的論文中(zhōng)，來自美國LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA的天文學家公布了他們的合作成果。在LIGO和Virgo的第三輪運行（被稱爲O3b）中(zhōng)，天文學家接連發現了兩例來自黑洞-中(zhōng)子星合并的引力波事件——GW200105和GW200115。

　　來自GW200105的引力波信号（視頻(pín)來源：MAYA Collaboration）

　　相距10天的觀測

　　2020年1月5日，LIGO首先探測到了GW200105。LIGO在美國路易斯安那州和華盛頓州分(fēn)别有兩個觀測台站，不巧的是，當天位于華盛頓州的探測器正在下(xià)線維護，因此隻有位于路易斯安那州的探測器探測到了這次引力波事件。此外(wài)，Virgo探測器雖然也在觀測，但是此次引力波事件對Virgo探測器來說太弱，難以從噪聲中(zhōng)分(fēn)離(lí)出來。對來自單個LIGO探測器的數據展開(kāi)分(fēn)析後，研究團隊确認這一(yī)引力波信号是由一(yī)個8.9倍太陽質量的黑洞和一(yī)個1.9倍太陽質量的天體(tǐ)合并産生(shēng)的。最終，天文學家确認這個1.9倍太陽質量的天體(tǐ)是一(yī)顆中(zhōng)子星，此次合并發生(shēng)在9億光年之外(wài)。

　　但是，由于隻有一(yī)個探測器檢測到了GW200105的信号，如同隻有一(yī)隻耳朵接收到聲音信号，天文學家難以精确定位引力波的來源。他們隻能大(dà)緻判斷信号來源的範圍——占據全天的17%，大(dà)約相當于34 000個滿月所占的面積。

　　好在，僅僅10天之後，GW200105信号的遺憾就得到了彌補。1月15日，全部三個大(dà)型引力波探測器——兩個LIGO探測器和Virgo探測器——都探測到了被命名爲GW200115的引力波信号。進一(yī)步的分(fēn)析顯示，這個引力波信号來自一(yī)次10億光年外(wài)的黑洞-中(zhōng)子星合并事件，事件的主角分(fēn)别是一(yī)個5.7倍太陽質量的黑洞，以及一(yī)個1.5倍太陽質量的中(zhōng)子星。同時，由于這三個探測器距離(lí)較遠，科學家能比較精确地判斷引力波來源于哪些方向。最終，天文學家劃定了信号可能的來源範圍——相當于2900個滿月的面積。

　　盡管在這兩次觀測之後，天文學家立即對相應目标區域進行了多波段觀測，但在所有波段上都沒有觀測到來自這兩個事件的電(diàn)磁波，這與引力波觀測結果相符合。當中(zhōng)子星靠近黑洞時，理論上它會被潮汐力撕裂，從而産生(shēng)一(yī)陣閃光。但是在觀測到的這兩個事件中(zhōng)，黑洞的質量都比中(zhōng)子星大(dà)得多，黑洞可以一(yī)次性把中(zhōng)子星整個“吞下(xià)”，不留下(xià)任何痕迹。

　　天文觀測新窗口

　　自從2015年人類首次探測到引力波以來，它就成爲了人類了解宇宙的新窗口。如果說以往人類是在用電(diàn)磁波“看”宇宙的話(huà)，引力波探測技術則像是給了人類“聽(tīng)”見宇宙的能力。GW150914讓人類首次發現了雙黑洞合并事件，GW170817則讓人類探測到了雙中(zhōng)子星合并事件，3位主導引力波探測計劃的物(wù)理學家也被授予了諾貝爾物(wù)理學獎。到今天，人類通過引力波确認的黑洞數量已經超越了以往任何一(yī)種手段所發現的。人類有能力統計這些恒星墓地的質量分(fēn)布，甚至找到了一(yī)絲破解中(zhōng)等質量黑洞之謎的方法。

　　不過，在緻密天體(tǐ)合并的拼圖中(zhōng)，中(zhōng)子星和黑洞的合并一(yī)直是缺失的一(yī)塊。此前，LIGO-Virgo網絡還發現有兩例黑洞-中(zhōng)子星合并的候選體(tǐ)：GW190814是由一(yī)個23倍太陽質量黑洞和一(yī)個2.6倍太陽質量天體(tǐ)合并産生(shēng)的，該天體(tǐ)可能是已知(zhī)最重的中(zhōng)子星，也可能是已知(zhī)最輕的黑洞；GW190426可能來源于黑洞-中(zhōng)子星合并，但也可能是探測器噪聲的結果。

　　GW200105和GW200115的來源則很确定，它就是黑洞-中(zhōng)子星合并的結果。“湊齊這張拼圖至關重要，它能告訴我(wǒ)們在緻密天體(tǐ)形成和雙星演化的物(wù)理模型中(zhōng)，哪種天體(tǐ)占多數，而這一(yī)問題的本質是對中(zhōng)子星和黑洞相互合并率的預測。通過這些探測，我(wǒ)們最終測量了所有三類雙星的合并率。”美國西北(běi)大(dà)學的研究生(shēng)蔡斯·金博爾（Chase Kimball）說，他是這篇論文的合著者。

　　由于兩次合并事件在10天之内接連發生(shēng)，天文學家也能對此類合并事件發生(shēng)的頻(pín)率做出估計。盡管還有很多合并事件沒有被檢測到，但天文學家估計在10億光年内，大(dà)約每個月都會發生(shēng)一(yī)起黑洞-中(zhōng)子星合并事件。

　　至于兩個黑洞-中(zhōng)子星雙星系統是從何而來的，天文學家們則有不同的猜想。一(yī)種假說認爲，這種系統是由一(yī)對恒星相互繞轉的系統演化而來。在這一(yī)系統到達演化末期時，其中(zhōng)一(yī)顆恒星會變成黑洞，另一(yī)顆則變成中(zhōng)子星，但它們仍然保持相互繞轉，直到兩者合并。而另一(yī)種假說則認爲這是一(yī)個動态的過程，兩個天體(tǐ)在緻密星區中(zhōng)分(fēn)别獨立形成，随後它們組成雙星并且合并。

　　未來

　　“我(wǒ)們現在已經探測到了黑洞和中(zhōng)子星合并的首批案例，我(wǒ)們能确定宇宙中(zhōng)存在這種現象。但是關于中(zhōng)子星和黑洞，還有太多太多的未知(zhī)之謎——它們的半徑能在什麽範圍内變化？它們的自轉速率能有多快？它們如何成爲雙星并最終合并？在未來引力波數據的幫助下(xià)，我(wǒ)們的統計結果将能回答這些問題。最終，我(wǒ)們将理解這些宇宙中(zhōng)最極端的天體(tǐ)是如何産生(shēng)的。”LIGO科學合作組織成員(yuán)，美國西北(běi)大(dà)學的馬娅·菲什巴赫（Maya Fishbach）說，她是這篇論文的合著者之一(yī)。

　　值得一(yī)提的是，本次參與論文署名的KAGRA并沒有參與數據采集。KAGRA在2019年完成建設，2020年2月參與數據采集，那時正是O3b運行的最後階段。KAGRA科學合作組織由來自14個國家和地區的超過470名會員(yuán)組成。目前，KAGRA已經加入了LIGO和Virgo組成的引力波探測網絡，人類的引力波探測能力也得到了相應的提升。

　　現在，這些引力波團隊正在對儀器進行維護升級，爲2022年夏天開(kāi)始的第四輪觀測做準備。未來，引力波還會給人類哪些驚喜，讓我(wǒ)們拭目以待。

　　參考論文：

　　https：//iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac082e

　　參考鏈接：

　　https：//www.eurekalert.org/emb_releases/2021-06/nu-adf062821.php

　　https：//www.eurekalert.org/emb_releases/2021-06/anu-bh062521.php

　　https：//www.eurekalert.org/emb_releases/2021-06/c-tfd062821.php

　　本文轉自環球科學