又是引力波 發現緻密雙星併合最後一塊“拼圖”

不少引力波的信號特徵都與我們日常生活中出現的聲音相似，引力波隨機背景信號類似收音機播放的噪聲，旋轉中子星的信號則是一個單頻的連續信號，超新星爆發的信號可能是一個短暫的爆炸聲，兩個緻密天體繞轉的信號或更像鳥叫聲，科學家們形象地稱之為啁啾信號。

 

朱興江 北京師範大學珠海校區引力波與宇宙學實驗室特聘研究員

 

遙望蒼穹，看似平靜，卻也激流涌動，“眉目傳情、暗送秋波”的現象在天文探測中時有發生。

 

6月29日，一篇發表在《天體物理學雜誌快報》的論文稱，來自美國鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）和日本引力波天文臺（KAGRA）的天文學家接連發現了2例來自黑洞—中子星併合的引力波事件——GW200105和GW200115。

 

所謂黑洞—雙子星併合，即一個由黑洞和雙子星構成的緻密雙星系統發生的併合事件。

 

這是人類首次確認黑洞—中子星併合，至此，科學家通過引力波，找到了3種緻密雙星併合（雙黑洞、雙中子星和黑洞—中子星）的最後一塊“拼圖”。

 

科學家是如何確定引力波來源的？引力波還能在哪些領域取得新的突破？帶著這些疑問，科技日報記者採訪了相關專家。

 

姍姍來遲的黑洞—中子星併合

 

“對一個天體對象的探測，無非有兩種方法：一個是引力，一個是電磁波。”華中科技大學物理學院教授鄒遠川説。

 

早在2015年9月14日，人類首次通過LIGO發現了雙黑洞併合産生的引力波，這也是首次探測到引力波，3名科學家因此獲得了2017年諾貝爾物理學獎。

 

兩年後，2017年8月17日，科學家觀測到雙中子星併合産生的引力波，同時也看到併合後拋出的中子物質間接産生的伽馬射線、光學輻射等電磁信號。

 

鄒遠川介紹，至此，在對緻密雙星併合的探測中，只剩黑洞—中子星併合事件還未被發現。這次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探測成果，正好補齊了這最後一塊“拼圖”。

 

“近年來，以LIGO為代表的引力波探測器，靈敏度穩步提升，這是人類發現黑洞—中子星併合事件的關鍵。”北京師範大學珠海校區引力波與宇宙學實驗室特聘研究員朱興江博士介紹説，相對而言，黑洞—中子星併合或許沒有雙黑洞、雙中子星併合出現的這麼“頻繁”，想要尋找更多黑洞—中子星併合，我們需要能夠看得更遠的探測器。

 

黑洞—中子星併合為何是最後一個被探測到的？

 

鄒遠川認為，可能有兩個主要原因，一是該事件發生概率較低，即便發生了，其信號強度也比較弱，目前被探測到的絕大多數是雙黑洞併合，就是因為其品質比中子星大幾十倍，産生的信號也更強烈；二是巧合，雙中子星併合的理論探測率也不高，目前只看到了兩個，先於黑洞—中子星併合被發現，也可能是巧合。

 

黑洞—中子星併合如此難以探尋，科學家是否能通過除引力波外的其他手段進行多方面的探測？“原則上，黑洞—中子星併合也會輻射電磁波，但在此次兩個併合事件中，還沒有探測到任何電磁波信號。”朱興江説，這可能是因為它們距離地球太遠且方位不清，電磁波信號難以被捕捉，抑或是因為黑洞的品質比中子星大很多，中子星或直接被黑洞吞噬，僅造成其附近時空的震顫，沒有留下其他任何線索，以供我們進行探測。

 

通過品質大小確定併合雙方身份

 

黑洞—中子星併合的“事發地”距離地球如此遙遠，科學家又是通過什麼方式確認兩例引力波來自黑洞—中子星併合？鄒遠川説，科學家主要通過兩個天體的品質來判斷併合事件的類型，引力波的波形中就包含著併合天體的品質信息。

 

理論上，中子星的品質上限（奧本海默極限）大致為3倍太陽品質，緻密天體的品質超過該品質上限，就可以確定其為黑洞。

 

這次探測到的引力波事件GW200105，為約9倍太陽品質和1.9倍太陽品質的緻密天體併合産生，GW200115則是約6倍太陽品質和約1.5倍太陽品質的緻密天體併合産生。

 

兩例引力波事件中，品質較大的天體為黑洞，品質較小的則被認為是中子星。為何會有這樣的判斷？“原則上，兩個較小品質的天體也可能是黑洞，但因其品質與中子星一致，且以前並未發現品質如此小的黑洞，所以判斷這兩例引力波來自黑洞—中子星併合最為合適。”朱興江介紹。

 

目前，地面引力波探測器發現的50余例引力波事件均來自兩個緻密天體的繞轉和併合現象。

 

“引力波頻率不同，探測手段也不一樣。”鄒遠川説，宇宙中的超新星爆發、中子星或白矮星非對稱振動、宇宙深處超大品質雙黑洞併合、小黑洞圍繞超大品質黑洞的旋進和宇宙早期一些劇烈的物理過程都會産生引力波。

 

鄒遠川介紹，目前，LIGO、Virgo和KAGRA主要探測頻率約為十至幾千赫茲的引力波。我國“天琴計劃”“太極計劃”等為空間引力波探測計劃，主要探測毫赫茲左右的引力波。此外，更低頻的、約1納赫茲的引力波，主要以脈衝計時陣的方式進行探測。

 

“不少引力波的信號特徵都與我們日常生活中出現的聲音相似。”朱興江説，引力波隨機背景信號類似收音機播放的噪聲，旋轉中子星的信號則是一個單頻的連續信號，超新星爆發的信號可能是一個短暫的爆炸聲，兩個緻密天體繞轉的信號或更像鳥叫聲，科學家們形象地稱之為啁啾信號。

 

黑洞—脈衝星系統或將被發現

 

鄒遠川介紹，黑洞—中子星併合有兩種情形，若黑洞品質比較大，黑洞將直接吞噬中子星，預期沒有電磁輻射，這符合目前觀測到的兩例引力波事件；若黑洞品質較小，則在潮汐力撕裂併合中子星的時候，其中部分中子物質會被拋射出去，産生核合成及電磁輻射。

 

因此，伴有電磁輻射的黑洞—中子星併合事件，是下一個值得期待的探測“新大陸”。

 

朱興江認為：“這次觀測成果證實了黑洞—中子星雙星系統或在宇宙中廣泛存在，銀河系內的黑洞—脈衝星系統也許很快將會被發現。”

 

在鄒遠川看來，更長遠的突破是地面引力波探測設備的進一步升級，能觀測到越來越多宇宙中正在發生的緻密雙星併合事件，為人類了解恒星，特別是雙星的演化提供絕佳手段。

 

同時，我國“天琴計劃”“太極計劃”等實施後，將能觀測到宇宙早期超大品質黑洞的併合，為我們理解星系中心黑洞的成長歷史提供直接證據。

 

“聯合探測十分值得期待。”鄒遠川興奮地説，把較低頻的空間引力波探測和LIGO的探測結合，加上頻率接收範圍介於二者之間的探測器，可監測緻密雙星從互相繞轉到最終併合的整個歷史，還能提前預報併合事件，讓傳統望遠鏡提前觀測，將引力波和電磁信號進行聯合，讓人類全面了解中子星和黑洞的本質等。