天文学家首次从“质量间隙”捕获中子星与黑洞碰撞的引力波

LIGO 天文台探测到一颗中子星与一个巨大致密天体的合并。从参数来看，这是一个创纪录的低质量黑洞。科学家们相信，这只是一系列类似发现中的第一个。

一对黑洞和中子星合并产生的引力波的插图

20 世纪 90 年代末，天体物理学家研究了低质量 X 射线双星，并注意到最大中子星和最小黑洞质量之间的差距。间隙的下限由超新星爆发后形成的中子星的最大可能质量决定。最上面的一个是恒星核心直接塌缩形成的黑洞的最小可能质量。根据观测，获得的范围约为三到五个太阳质量。

主要问题是这个“差距”实际上可能并不存在。首先，由于仪器的特性和观测目标的选择，它可能会出现在收集的数据中。其次，原因可能是X射线双星的演化特征。第三，根据理论计算，黑洞的最小可能质量为2.2个太阳质量。

近年来，天文学家在“安静”的双星系统中发现了几个低质量黑洞的候选者，这些疑虑得到了加强，这些物体之间的相互作用并不那么剧烈，以至于天文学家会更早注意到它们。同样在 2024 年初，科学家报告称在脉冲星附近可能发现了一个极低质量的黑洞。

此外，科学家们已经在产生记录引力波的事件中遇到了潜在的小黑洞：GW190814、GW200210_092254和GW190917_114630。确实，它们都有巨大的主要成分——当然是黑洞，它们的低质量对仍然可能不是空洞，而是大型中子星。在新的事件中，力量对比有所不同。

2023年5月下旬，LIGO利文斯顿天文台探测到引力波GW230529_181500，简称GW230529。在分析了获得的数据后，科学家们得出的结论是，这次合并涉及一颗大约1.4个太阳质量的中子星和一个2.4到4.5个太阳质量的致密天体——而这就是主要成分！该研究的预印本发布在 LIGO 网站上。

理论上，潮汐对如此紧密的一对中子星的影响会在传出的引力波上留下“印记”。在这种情况下，黑洞的“潮汐变形能力”为零。发生这种情况是因为中子星由普通（尽管非常致密）物质组成，并且可以变形。黑洞是一个光无法逃逸的空间区域，这个空间的边界不能变形——它根本不是由普通物质组成的，它是一种纯粹的引力现象。

这项新工作的作者使用计算机模型检查了两种情况下 GW230529 天体的推导参数：黑洞和中子星的合并，其中只有一个会发生变形，以及中子星的合并，其中两个物体都可以变形。

无论使用哪种模型，科学家都无法对小物体（中子星）的可能变形施加限制，但对于大质量物体，变形的峰值概率为零。不幸的是，正如作者指出的，尽管进行了建模和计算，科学家不太可能很快就能直接在引力波中检测到潮汐影响的痕迹：仪器的灵敏度还不够。

总的来说，GW230529的主要组成部分很有可能是一个创纪录的低质量黑洞，而且整个黑洞对是整个观测史上质量最“对称”的黑洞。 “对称”合并更容易受到潮汐破坏的影响，这意味着它们也应该在电磁频谱中“发光”。也就是说，天文学家不仅可以通过引力波来“捕捉”这些事件。

重要的是，GW230529 在 LIGO 更新后立即被捕获。不幸的是，其他引力波天文台当时没有工作或者缺乏灵敏度。但最重要的是，这是第四个观测周期的开始。

“除了 GW230529 之外，我们已经确定了大约 80 个其他有希望的候选者进行进一步研究。我们预计到2025年2月，第四个观测周期结束时，我们将观测到超过200个引力波信号。未来对类似事件的发现，特别是如果它们伴随着电磁辐射爆发，可能是解决这个质量间隙难题的关键，并帮助我们增进对宇宙的理解，”这项新研究的研究人员之一杰兰特·普拉滕博士解释道。 . 伯明翰大学（英国）引力波天文研究所。

有一种宇宙学理论预测，由于“质量间隙”，几乎所有暗物质都由黑洞组成。然而，其开发者已经指出，现有引力波天文台的灵敏度不足以对此类物体进行质量记录。看来下一次 LIGO 更新已经将此类系统的灵敏度提升到了一定水平，它们已经可以探测到至少一些“残余”黑洞，根据这一理论，这些黑洞比大爆炸还要古老。