黑洞竟會像“吃豆人”一樣吞掉中子星？

黑洞和中子星組成的獨特雙星系統

“在這些天文事件中，黑洞并不會像餅干怪獸（譯注：兒童電視節目《芝麻街》中一個藍色的布偶角色）一樣咀嚼掉中子星，還把碎片弄得到處都是。”一位物理學家說。

通過引力波對宇宙發生的大小事件進行了四年多的探究后，科學家們終于發現了第三種預期的碰撞類型——而且觀測到了這種碰撞兩次。

這種新的碰撞類型里有一個黑洞和一個中子星，所以算是某種混搭型的碰撞。科學家們已經觀察了數十起成對黑洞融合的天文事件，和數起成對中子星、超大密度的恒星殘骸融合的天文事件，盡管科學家們已經預期有黑洞和中子星間的碰撞，但是這一天文事件還未被確切探測到。

現在，研究人員則說他們已經做到這點了，觀察到了由這種碰撞引起的獨特時空漣漪（引力波）。

阿斯特麗德·蘭貝茨（Astrid Lamberts）是國家科學研究中心（CNRS）的研究員，在尼斯蔚藍海岸天文臺（Observatoire de la C?te d'Azur）工作，她在一份聲明中說道：“隨著在銀河系之外新發現了中子星和黑洞的融合，我們就發現了這種缺失的雙星系統。我們終于能漸漸弄清楚有多少這樣的系統存在了，弄清楚它們融合的頻率，弄清楚為什么我們在銀河系還沒有看到這樣的例子。“

圖解：黑洞和中子星融合時產生引力波的藝術構想圖。圖源：馬克·邁爾斯（Mark Myers），澳大利亞研究理事會引力波發現研究中心/斯威本科技大學（OzGrav/Swinburne University）。

這兩個新的探測都發生在2020年1月，間隔10天，科學家根據觀測到兩個碰撞時的日期，把它們分別命名為GW200105和GW200115。其中一個碰撞，激光干涉引力波天文臺（LIGO）的兩個雙子探測器和類似的室女座（Virgo）探測器都探測到了，而另一個碰撞，只有LIOG的其中一個探測器和室女座探測器探測到。（此項目的合作伙伴現在包括了的神岡引力波探測器（KAGRA），但是神岡引力波探測器在2020年2月才開始運行。）

對GW200115的探測非常好，它被全部三個探測器都探測到了。科學家們認為它的碰撞涉及一個質量幾乎是太陽6倍的黑洞，吞噬一個質量為太陽1.5倍的中子星，這一融合發生在6.5億至15億光年之外。

GW200105沒有受到確切的探測。但是科學家們懷疑它的融合，是一個質量約為太陽9倍的黑洞與一個質量約為太陽兩倍的中子星融合，這一融合發生在大約5.5億至13億光年以外。

圖解：融合中的黑洞和中子星顯示潮汐力撕裂（tidal disruption）的藝術概念圖。

圖源：可視化：T.狄特里希（T.Dietrich）、N.菲舍爾（N.Fischer）、S.奧索金（S.Ossokine）、H.法伊弗（H.Pfeiffer）、T.武（T.Vu）；模擬：V.查拉西亞（V.Chaurasia）、T.狄特里希。

科學家們還不確定這些混搭型的融合是否產生了可見光信號，是的話正如成對中子星融合時那樣，否的話正如兩個黑洞融合的例子那樣。

天文學家們無法將任意一條這些新的引力波探測結果，與光波觀測結果匹配，但是這不一定就意味著不存在這種相符合的閃光。因為對于較不精確的探測，科學家們只能把源頭出現的范圍縮小到大約17%的天空面積；而對于較精確的探測，科學家們依然要面對相當于2900顆滿月大的區域。除此之外，碰撞地點距離我們非常遠，所以不管什么光線達到地球時，都會變得極其暗淡。

然而，科學家們還是懷疑：至少對這些特別的融合來說，沒有能看到的光信號。

威斯康星大學密爾沃基分校的物理學家、LIGO科學合作組織目前的發言人帕特里克·布雷迪（Patrick Brady）在一份聲明中說：“在這些天文事件中，黑洞并不會像餅干怪獸一樣咀嚼掉中子星，還把碎片弄得到處都是。正是‘把碎片弄得到處都是’會產生光，我們認為這些案例中不會發生這種情況。”（這種咀嚼吞食也叫做潮汐力撕裂。）

圖解：這張圖片顯示了引力波探測器觀測到的碰撞天體初始的質量和最終的質量。

圖源：弗蘭克·埃拉夫斯基（Frank Elavsky）/LIGO-室女座探測器、阿倫·蓋勒（Aaron Geller）/西北大學。

這兩起天文事件標志著科學家們首次看到黑洞和中子星的融合，而且確信是混搭型的融合。不過對于更前面的兩起探測，雖然同樣的情況也可能發生了，但是科學家們連其中一起都不能肯定。這些天文事件中的其中一起在2019年8月被探測到，一個大黑洞，要么與一顆已知最大的中子星融合了，要么與一個已知最小的黑洞融合了。另一起天文事件被探測到的時間還要早4個月，它或許是一種混搭型的融合，但也可能只是探測器中的雜音。

鑒于2020年1月的兩起觀測，科學家們現在預測：在距地球10億光年以內，每月都會發生一次一個黑洞和一顆中子星的融合。

對于這種融合如何發生，科學家們給出了兩種理論。其中一種理論認為：雙星系統的每一個成員都會獨自變成超新星，爆炸后形成兩個致密的殘骸，最終融合。另一種理論則認為：分隔開的恒星會先經歷超新星爆炸，然后才形成雙星系統。

這兩起新觀測到的碰撞還不足以確定到底發生了什么，但是科學家們希望憑借引力波探測最終可以解決這個謎團。

伊利諾伊州西北大學博士后、該研究的共同作者之一馬婭·菲施巴赫（Maya Fishbach）在一份大學的聲明中說：“我們對中子星和黑洞還有太多不了解的地方——它們能有多小、能有多大，它們的旋轉速度能有多快，它們如何成對融合在一起。隨著將來獲得引力波數據，我們就能用統計數據回答這些問題，并能最終弄清楚我們宇宙中最極端的天體是如何產生的。”

LIGO的兩個雙子探測器、室女座探測器和神岡探測器，都在為第四輪合作觀測活動做準備，這輪觀測活動定于明年夏天開始。科學家們說在這項工作中，探測器每天都可能探測到一個引力波信號，從而讓科學家們對宇宙正在發生的事，獲得比之前巨量多的信息，例如上述這些戲劇性的融合。

澳大利亞國立大學物理學家、該研究的共同作者之一蘇珊·斯科特（Susan Scott）在一份大學的聲明中說：“每次撞擊不只是兩個巨大而致密的天體碰到一起。那融合的確很像是‘吃豆人’——黑洞會將它的中子星同伴整個吞下去。這些撞擊已經撼動到了宇宙核心，我們已經探測到的它們產生的時空漣漪，在宇宙中極速傳播。”

BY: Meghan Bartels

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