作為全球合作項(xiàng)目的成員，來(lái)自ARC引力波探索卓越中心（OzGrav）的澳大利亞科學(xué)家通過(guò)研究事件產(chǎn)生的引力波，有史以來(lái)第二次觀察到兩個(gè)大質(zhì)量致密天體即中子星的并合事件。周一（2020年1月6日，譯者注）在檀香山舉行的美國(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)議上宣布了結(jié)果。 此次并合事件（稱(chēng)為GW190425）在2019年4月25日被三臺(tái)激光干涉儀之一觀測(cè)到，并產(chǎn)生了一個(gè)新天體，其質(zhì)量似乎遠(yuǎn)高于此類(lèi)事件的預(yù)期。 主中子星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的1.61-2.52倍，而次中子星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的1.12-1.69倍。并合后，新天體的質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的3.4倍。事件本身釋放出的能量是太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍，以引力波的形式輻射到太空中。 由于事件發(fā)生時(shí)只有兩臺(tái)干涉儀在工作（并且只有一臺(tái)干涉儀探測(cè)到信號(hào)），因此無(wú)法精確確定事件在天空的位置，但科學(xué)家估計(jì)此事件的光度距離范圍為5.186-5.251億光年。 中子星是致密的天體，直徑通常約20km，不比一個(gè)城市大多少。將3.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)擠入如此小的空間，中子星因而變得極其致密。 迄今為止，觀測(cè)到的質(zhì)量最大的中子星是PSR J0740+6620，其質(zhì)量是在2019年9月確定的，約為2.14倍太陽(yáng)質(zhì)量。一般認(rèn)為，質(zhì)量超過(guò)2.16倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星，其引力會(huì)克服自我維系的力，進(jìn)而坍塌成一個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞。 使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化的是，迄今沒(méi)有觀察到小于5倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，因此，這些新發(fā)現(xiàn)對(duì)我們對(duì)天體物理學(xué)家稱(chēng)之為質(zhì)量間隙（mass gap）的中間區(qū)域的理解提出了有趣的問(wèn)題。 OzGrav的博士后朱興江說(shuō)：“并合天體的總質(zhì)量大得驚人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了任何先前已知的雙中子星系統(tǒng)，包括2017年探測(cè)到的雙中子星。這促使我們思考此事件的本質(zhì)以及此種信號(hào)源是如何形成的?！?/p> 如今，科學(xué)家正在審查這些發(fā)現(xiàn)，考慮了許多可能的選項(xiàng)，例如中子星與黑洞的并合，或者產(chǎn)生處于質(zhì)量間隙的黑洞。另外，一個(gè)全新的雙中子星系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致異常大的并合質(zhì)量。 雙中子星并合產(chǎn)生GW190425的藝術(shù)圖示。圖片來(lái)源：National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet. 這些發(fā)現(xiàn)是通過(guò)澳大利亞自己的引力波天體物理學(xué)組織OzGrav宣布的，該組織旨在通過(guò)諸如量子壓縮、超級(jí)計(jì)算機(jī)算法開(kāi)發(fā)以及引力波事件探測(cè)等新興物理領(lǐng)域科學(xué)家的合作，使澳大利亞在引力波天文學(xué)這一新領(lǐng)域占有一席之地。 此過(guò)程中，該中心還打算圍繞諸如黑洞之類(lèi)的引人入勝的話題在澳大利亞公眾中引起宣傳和興趣，間接激發(fā)年輕人參與基于STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，譯者注）的學(xué)習(xí)和活動(dòng)。 OzGrav也是國(guó)際合作的一部分，這是一個(gè)由全球1500名科學(xué)家組成的聯(lián)合體，還包括澳大利亞國(guó)立大學(xué)，查爾斯斯特大學(xué)，莫納什大學(xué)，斯威本科技大學(xué)，墨爾本大學(xué)，西澳大利亞大學(xué)和阿德萊德大學(xué)。其他參與的澳大利亞機(jī)構(gòu)包括CSIRO和澳大利亞天文臺(tái)。 對(duì)引力波的直接探測(cè)直到近期才成為可能，通過(guò)建造稱(chēng)之為激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的大型裝置，我們可以直接探測(cè)到引力波。 當(dāng)前，全球共有三臺(tái)探測(cè)器，兩臺(tái)位于美國(guó)，相距約3000公里，分別位于華盛頓的漢福德（Hanford, Washington）和路易斯安那的利文斯頓（Livingston, Louisiana），第三臺(tái)位于意大利比薩（稱(chēng)為EVirgo）。協(xié)作的下一階段預(yù)計(jì)將有第四臺(tái)探測(cè)器上線，該探測(cè)器目前正在日本岐阜縣的地下深處進(jìn)行開(kāi)發(fā)（稱(chēng)為KAGRA天文臺(tái)）。 干涉儀是目前人類(lèi)創(chuàng)造的最靈敏的儀器之一，能夠檢測(cè)到只有質(zhì)子寬度的1/1000的位移。這是通過(guò)沿兩個(gè)互相垂直的真空軸發(fā)射4公里的激光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中一個(gè)特殊的鏡子將光反射回探測(cè)器。 LIGO激光器的內(nèi)部工作原理–激光射入分光器，然后沿著4公里的隧道前進(jìn)，在測(cè)試質(zhì)量處被反射，然后返回以合成推斷圖像。 圖片來(lái)源：LIGO。 “此次探測(cè)表明了對(duì)已經(jīng)非常靈敏的引力波探測(cè)器進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的重要性，因?yàn)樵谧钚律?jí)之前，探測(cè)器是無(wú)法觀察到此次事件的。OzGrav在這些升級(jí)中扮演著至關(guān)重要的角色，其中之一涉及減少探測(cè)器中的量子噪聲。” OzGrav的博士后Vaishali說(shuō)。 引力波會(huì)擠壓和拉伸地球（及其上的所有物體，包括人類(lèi)），但幅度很小。當(dāng)引力波通過(guò)天文臺(tái)時(shí)，探測(cè)器的靈敏度足以記錄這種變化并記錄下事件。 通過(guò)在不同位置安裝多個(gè)探測(cè)器，多探測(cè)器協(xié)作可以排除任何局部干擾（包括在真空管上行走的烏鴉），并且可以更好地在空中定位事件的來(lái)源。 中子星數(shù)十年來(lái)一直吸引著科學(xué)家（和科幻作家）。它是我們宇宙中非常極端的一種天體，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶壿嬌蠠o(wú)視我們對(duì)日常物理學(xué)的理解，尤其是我們所熟知的引力。 中子星是在質(zhì)量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的大質(zhì)量恒星的劇烈死亡期間形成的。取決于恒星的原始質(zhì)量，不同恒星會(huì)有不同的歸宿。 像我們的太陽(yáng)這樣的恒星，會(huì)將它的外層物質(zhì)噴離，留下一個(gè)約地球大小的熾熱核，稱(chēng)為白矮星。 對(duì)于質(zhì)量更大的恒星，引力足以將電子和質(zhì)子推到一起，從而形成一個(gè)如城市大小的小型天體-中子星。這些天體質(zhì)量和密度都非常大，其一茶匙的物質(zhì)重達(dá)一千萬(wàn)噸-大約相當(dāng)于一個(gè)800m邊長(zhǎng)的地球立方體的質(zhì)量。 由于如此大的密度，中子星具有巨大的引力場(chǎng)-比地球強(qiáng)約2000億倍。它們還具有強(qiáng)大的磁場(chǎng)并以每秒幾萬(wàn)次的速度快速旋轉(zhuǎn)，這是超新星期間恒星向內(nèi)坍縮的結(jié)果。 一些中子星從它們的兩極發(fā)射無(wú)線電波，這些無(wú)線電波就像掃過(guò)黑暗海洋的燈塔光束一樣掃過(guò)地球。這些中子星被稱(chēng)為脈沖星，天體物理學(xué)家已經(jīng)能夠極其精確地測(cè)量這些星體的自旋。 最后，當(dāng)恒星質(zhì)量非常大時(shí)，星核向內(nèi)坍縮并不會(huì)停止于中子的產(chǎn)生，而是一直持續(xù)到恒星變成黑洞-一個(gè)密度無(wú)限的空間區(qū)域，甚至連光都無(wú)法逃逸。 因此，我們無(wú)法直接觀測(cè)黑洞，但可以對(duì)其產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究。例如，旋渦物質(zhì)的吸積盤(pán)，因?yàn)樗@黑洞高速旋轉(zhuǎn)，可以發(fā)射出可觀測(cè)的X射線?；蚴琴|(zhì)量較大的物體（如伴星）繞著一個(gè)看不見(jiàn)的物體運(yùn)動(dòng)的速度可以告訴我們?cè)撐矬w的質(zhì)量。 自2015年以來(lái)，我們從繞轉(zhuǎn)的雙黑洞產(chǎn)生的引力波中獲取了豐富信息。干涉儀采集的數(shù)據(jù)中包含的信息可以告訴我們并合前每個(gè)黑洞的質(zhì)量和自旋速率，并合后黑洞的質(zhì)量以及整個(gè)事件輻射到空間的能量。 LIGO聽(tīng)到的“啁啾”聲-GW150914的引力波信號(hào)。圖片來(lái)源：LIGO。 2017年8月17日，LIGO探測(cè)器觀察到了一個(gè)旋進(jìn)過(guò)程的引力波信號(hào)，這與雙黑洞并合產(chǎn)生的信號(hào)不同。這個(gè)新的信號(hào)（稱(chēng)為GW170817）歷時(shí)更長(zhǎng)，并且描述了兩個(gè)質(zhì)量遠(yuǎn)小于恒星級(jí)黑洞的致密天體的并合。 這是首次觀測(cè)到兩個(gè)中子星并合事件，稱(chēng)為千新星（Kilonova）。 由于千新星事件不涉及黑洞，如果引力波的定位足夠好，能夠?yàn)殡姶磐h(yuǎn)鏡指示事件的相應(yīng)區(qū)域，就可以觀察到引力波事件的電磁對(duì)應(yīng)體。 GW170817就是這種情況。在LIGO探測(cè)器對(duì)事件進(jìn)行定位后，全球的望遠(yuǎn)鏡都將視線轉(zhuǎn)向該區(qū)域，并見(jiàn)證了千新星的電磁信號(hào)-短時(shí)伽馬射線暴（GRB 130603B），隨后的光曲線表明放射性衰變是在彈出的物質(zhì)周?chē)l(fā)生的，此結(jié)果首次證實(shí)這些大規(guī)模的劇烈事件（通過(guò)核合成）產(chǎn)生了比鐵重的化學(xué)元素（例如鍶、金和鉑）。 不幸的是，GW190425的定位很差，這意味著電磁望遠(yuǎn)鏡找不到千新星的余輝。但是這種情況肯定會(huì)發(fā)生，再次向宇宙釋放大量能量并產(chǎn)生大量重元素，終有一天將孕育其他恒星、太陽(yáng)系以及類(lèi)地行星。 GW190425的定位。圖片來(lái)源：Ben Farr / LIGO。 OzGrav的副研究員Greg Ashton說(shuō)：“這次事件非常有趣。三臺(tái)探測(cè)器中的兩臺(tái)看到了在最終并合之前持續(xù)約128秒的類(lèi)啁啾（chirp-like）信號(hào)。不幸的是，當(dāng)時(shí)有一個(gè)探測(cè)器沒(méi)有在觀測(cè)，這意味著天空定位很差。也許是因?yàn)檫@個(gè)原因，并且因?yàn)樗h(yuǎn)了，所以從該事件中沒(méi)有觀測(cè)到電磁信號(hào)。不過(guò)，我們?cè)谝Σ〝?shù)據(jù)中非常清楚地看到了此次事件，并且可以利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算星體的質(zhì)量、自旋和方向”。 “隨著LIGO探測(cè)器靈敏度的提高，可以期待更多激動(dòng)人心和意外的發(fā)現(xiàn)。OzGrav正在與LIGO緊密合作，以提高靈敏度，開(kāi)發(fā)新的儀器和分析技術(shù)，”阿德萊德大學(xué)OzGrav節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)人Peter Veitch教授說(shuō)。 科學(xué)家對(duì)此事件的真正興奮之處在于并合后物體的質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前所觀察到的。 OzGrav的博士后Simon Stevenson表示：“我們說(shuō)引力波天文學(xué)是一種全新且獨(dú)特的觀察宇宙的方法，此次事件正是這一說(shuō)法的完美例證。質(zhì)量與此次事件差不多的雙星系統(tǒng)，可能在銀河系中不存在，或者常規(guī)射電望遠(yuǎn)鏡可能完全看不見(jiàn)?！?/p> 這一發(fā)現(xiàn)是否可能導(dǎo)致找到源于雙中子星的處于難以捉摸的“質(zhì)量間隙”區(qū)域的黑洞？或者說(shuō)GW190425是否將會(huì)告訴我們一些新的關(guān)于可以存在且確實(shí)存在的雙中子星系統(tǒng)的信息？ 在每種可能的情況下，潛在的新科學(xué)都在等待著被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樘祗w物理學(xué)家正在探索我們宇宙中發(fā)生的某些最劇烈事件的內(nèi)部運(yùn)作，以及一些最極端的天體。 文章來(lái)源：SPACE AUSTRALIA 譯者簡(jiǎn)介： 楊星宇，中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所博士研究生，研究方向?yàn)橐碚撆c宇宙學(xué)。
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