天文学家“嗨到飞起”：LIGO或发现来自黑洞噬星的引力波

原文作者：Davide Castelvecchi

LIGO和Virgo探测到的最新时空涟漪可能指向一场寻觅已久的天文事件。

就在不久前，引力波疑似第一次向我们发送了黑洞吞噬中子星的信号。一经确认，这将成为首个证明这种二元系统存在的证据。就在消息发布一天前，天文学家刚刚第二次探测到了双中子星并合产生的引力波。

黑洞吞噬中子星的科学模拟图。

来源：A. Tonita、L. Rezzolla、F. Pannarale

北京时间2019年4月26日23:22:17（世界时间UTC 15:22:17），美国激光干涉引力波天文台（LIGO）的两台探测器以及意大利的Virgo天文台同时报告了一阵不同寻常的引力波信号。为了做出进一步解释，天文学家目前仍在进行数据分析和计算机模拟。

但是，天文学家已经在畅想这可能正是他们期待已久的发现，一旦坐实，由此而来的大量宇宙信息，不仅能让我们对相对论进行精确验证，还能测得宇宙膨胀速度。世界各地的天文学家正在利用各个规格的望远镜，争相观测这一现象。

LIGO数据分析团队的资深成员、宾夕法尼亚州立大学的物理学家Chad Hanna说，“我认为此次事件可能会被归类为中子星-黑洞[并合]。”

但是，这次探测到的信号显然不够强，也有纯属意外的可能。他说，“我认为人们应该为之振奋，但也要知道它的意义可能[比之前几次]要小得多。” LIGO和Virgo此前曾捕获到两类剧烈碰撞事件的引力波（引力波指的是时空结构中的微弱涟漪）：一类是双黑洞并合，另一类是双中子星并合。中子星是体积较小的超致密天体，是比太阳更大的恒星坍缩后形成的。

LIGO-Virgo团队经过计算发现，最新探测到的事件（临时标记为＃S190426c）可能发生在距离地球375百万秒差距（12亿光年）的地方。研究人员已经绘制了一张“天空地图”，其中标记了最有可能的引力波来源，并将这一地图向公众发送，以便全球天文学家一同在天空中搜寻这次事件的光。将这次事件的引力波与其他形式的电磁波段观测相结合，就能大大增加信息量，达到1+1远大于2的效果。

加州理工学院的天体物理学家Mansi Kasliwal主导了一个此类跟进项目，被称为“全球瞬变现象联测网”（GROWTH，Global Relay of Observatories Watching Transients Happen）。她的团队可以调用世界各地的机器人望远镜。拿这次观测来说，研究人员很快启动了一台印度的望远镜，而引力波抵达时正值印度的晚间时分。她说：“如果天公作美，我相信用不了24小时，我们的观测区域就能覆盖整个天空地图”。

好事成双

这次疑似的黑洞-中子星并合事件已经让天文学家处于过度工作的状态中了。而就在北京时间2019年4月25日16:18:26（世界时间UTC 08:18:26），另一缕引力波也被LIGO位于美国路易斯安纳州利文斯顿的探测器和意大利的Virgo探测器双双捕获。 （LIGO位于美国华盛顿州汉福德的另一台探测器当时处于停运状态。）

Hanna表示，4月25日的事件是一次异常鲜明的双中子星并合，距离2017年8月人类第一次历史性地探测到双中子星并合过去了近两年。

研究人员之所以敢下这样的结论，是因为引力波能透露所涉天体的质量，而质量约为太阳两倍左右的天体通常会被归为中子星。Hanna说，根据引力波的音高，研究人员还估算出碰撞大约发生在距离地球150百万秒差距（5亿光年）以外的地方——是2017年的中子星并合与地球距离的三倍左右。

Iair Arcavi是特拉维夫大学的天体物理学家，目前在GROWTH的竞争对手之一、拉斯昆布雷斯（Las Cumbres）天文台工作。当天，Iair正在美国马里兰州巴尔的摩参加一场名为“启用多信使天体物理学”（Enabling Multi-Messenger Astrophysics，EMMA）的会议，EMMA提倡通过多个波段观测类似的天文事件。4月25日早上5点01分，Iair收到了此次事件的短信通知。他说：“我事先设置了事件的短信提醒，这条消息让我睡意全无”。

紧接着，一场暴风雨般的躁动席卷了整场会议，原本互相较劲的天文学家纷纷带上笔记本，围坐在咖啡桌前交换信息。天文学家Andy Howell在推特上写道：“我们在这里嗨到飞起＃EMMA2019”。

只是这一次与以往略有不同：LIGO和Virgo并无法锁定引力波传来的方向。研究人员最多只能把目标对准一片并不算小的区域——约为整个天空的四分之一。发现信号的第二天，研究人员稍稍缩小了这一区域。

尽管前景还不明朗，但天文学家有一套专门用来执行这类探索任务的精密设备；此外，第二天晚上收集到的数据应能让天文学家最终确定信号来源。Kasliwal说：“只要它存在于那片区域，我们就一定能找得到”。

在2017年的中子星并合事件中，不同波长的联合观测牵出了一连串的天文学发现。当时，事件发生两秒后，一台轨道望远镜就探测到了一阵伽马射线，天文学家认为这是并合后的中子星坍缩成黑洞时释放出的伽马射线。接下来的几个月中，70个天文台纷纷加入观测队伍，探测波段从射电波段一直到X射线波段。

如果4月26日的事件最终被证实并不是黑洞-中子星并合，那它很有可能是一次中子星碰撞事件，从而让这类事件的探测数量上升至三次。

终于等到你

宾夕法尼亚州立大学的LIGO理论物理学家B. S. Sathyaprakash表示，看见黑洞吞噬中子星可以带来其它事件所无法提供的丰富信息。它首先就能证实这种由质量迥异的双星组成的系统确实存在。

中子星和黑洞在相互靠近的最后阶段的运行轨迹与两个黑洞并合前的运行轨迹大有相同。在中子星-黑洞系统下，质量更大的黑洞会在旋转的同时扭曲周围空间。Sathyaprakash说：“中子星将按照球形轨道而不是准圆形轨道绕转”。正因为如此，“中子星-黑洞系统能够更准确地验证广义相对论”，他说。

此外，将引力波与其他观测结果相结合，也能揭示出并合前的最后一刻到底发生了什么。随着潮汐力将中子星撕裂，这些信息都能帮助天体物理学家解开一个长期存在的谜团：这些超致密天体内部的物质到底是个什么状态。

LIGO-Virgo团队于4月1日开始了最新一轮的观测，当时预计每周大约能观测到一次黑洞并合事件，每月能观测到一次中子星并合事件。就目前看来，这些计划全部实现了——就在4月，LIGO和Virgo还捕捉到了好几次黑洞并合事件。“这种感觉太赞了，” Kasliwal说， “宇宙真是美妙无边。”

原文以Gravitational waves hint at detection of black hole eating star为标题

发布在2019年4月26日《自然》新闻上

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-01377-2

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