计算机模拟预测了正在坍缩的恒星所产生的可被探测的新型引力波源

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翻译：杨幸允

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://www.simonsfoundation.org/2024/08/22/new-detectable-gravitational-wave-source-from-collapsing-stars-predicted-from-simulations/

“熨斗”研究所（Flatiron Institute）的天体物理学家的最新模拟结果表明，由大质量、旋转的恒星的死亡引起的时空涟漪可能在激光干涉引力波观测台（LIGO）和室女引力波探测器（Virgo）等项目的观测范围之内。

一颗大质量、旋转的恒星死亡后会在中心黑洞周围形成一个物质盘。新的研究表明，这些物质冷却并坠入黑洞时会产生可被观测引力波。

图片来源：奥尔·戈特利布（Ore Gottlieb）

一颗大质量、快速旋转的恒星的死亡可以“撼动”宇宙。根据8月22日发表在《天体物理学杂志快报》的最新研究，地球上的探测器可以观测到恒星之死所产生的涟漪，也就是引力波。这项研究背后的科学家预测，这些新的引力波源正等待我们去发现。

15至20倍太阳质量的、快速旋转的恒星在剧烈死亡后会产生引力波。当燃料耗尽时，这些恒星内部坍缩，然后爆炸，形成所谓的坍缩星。这个过程留下一个周围环绕着大量残留物质黑洞；这些物质会迅速地旋入黑洞的“深渊巨口”。这些物质的旋转虽然仅持续几分钟，但是其能量大到扭曲了周围的空间，产生了穿越宇宙的引力波。

科学家们利用最先进的计算机模拟确定了这些引力波可以被激光干涉引力波天文台（LIGO）等仪器探测到；LIGO在2015年首次直接观测到了黑洞并合所产生的引力波。如果被观测到，坍缩星产生的引力波将帮助科学家了解坍缩星和黑洞神秘的内部结构。

电脑模拟显示了坍缩事件后新生黑洞周围的物质分布。较暖的颜色表示更高的物质密度。

动画来源：奥尔·戈特利布

“目前，我们所探测到的唯一一种引力波源是两个中子星或黑洞这样的致密天体的并合事件，”这项研究的领头人、纽约市“熨斗”研究所计算天体物理学中心（CCA）的研究员奥尔·戈特利布（Ore Gottlieb）说：“这个领域里最有趣的问题之一是：有哪些潜在的非并合源会产生我们目前的设备可以探测到的引力波？现在，一个很有希望的答案就是坍缩星”。

戈特利布与计算天体物理学中心的访问学者、哥伦比亚大学教授尤里·列文（Yuri Levin）和特拉维夫大学教授阿米尔·莱文森（Amir Levinson）一起模拟了一颗大质量、旋转的恒星坍缩后的环境，这其中包括了磁场和冷却率。模拟结果表明，坍缩星所产生强大的引力波可以被人在大约5000万光年之外的地方观测到。虽然这个引力波比目前模拟的任何非并合事件都要强，但是这个观测距离还不到黑洞或中子星并合产生的更强引力波可探测范围的十分之一。

戈特利布说，这些新发现令人大吃一惊。科学家们认为，混沌的坍缩会产生杂乱无章的波纹，很难被从宇宙的背景噪音中分辨出来。想象一个正在热身的交响乐团。当每个乐手都在演奏自己的音乐时，我们很难分辨出旋律是来自一支长笛还是大号。另一方面，两个天体并合产生的引力波会产生清晰、强烈的信号，就像管弦乐队在一起演奏一样。这是因为当两个致密的天体即将并合时，它们会在很小的轨道上“跳舞”，每转一圈都会产生引力波。这种几乎相同的波的节奏将信号放大到可以被探测到的程度。新的模拟结果表明，塌缩星周围的旋转盘也能产生相互放大的引力波，这很像并合时相互环绕旋转的致密天体。

“我原本认为信号会杂乱得多，因为旋转盘中的气体分布连续，物质在不同的轨道上旋转，”戈特利布说：“我们发现，这些旋转盘发出的引力波是相干的，而且能量也相当强。”

坍缩星的旋转盘的预测信号不仅强到可以被 LIGO 观测，戈特利布的计算还表明，一些（坍缩）事件可能已经在现有的数据集中了。宇宙探索者（Cosmic Explorer）和爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope）等计划中的引力波探测器每年可以发现几十个这样的事件。

引力波界已经开始寻找这些事件，但这并不容易。这项新研究计算了少量潜在的坍缩事件的引力波特征。然而，因为恒星的质量和旋转轮廓的数值跨度很大，计算出的引力波信号将存在差异。

“原则上来说，理想情况下我们模拟100万个坍缩星来创建一个通用的模板，但是这些模拟的（时间）成本很高，”戈特利布说，“所以，目前我们只能选择其他策略。”

科学家们可以研究历史数据，看看是否有任何事件与戈特利布模拟的事件相似。但是，由于恒星种类很多，每颗都可能有独特的信号，因此找到与模拟的信号相匹配的可能性不大。另一种策略是使用来自近距离坍缩事件的其他信号，比如说恒星坍缩过程中的超新星或伽马射线暴信号，然后搜索数据库，看看在同一时间的那片天空中是否有任何引力波被探测到。

观测坍缩星产生的引力波将有助于科学家们更好地了解两个我们了解很少的领域：恒星坍缩时的内部结构和黑洞的特性。

“这些都是我们无法观测的，”戈特利布说：“我们研究黑洞周围这些区域的唯一方法就是通过引力波。”

责任编辑：郭皓存

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旋涡星系NGC 1398的环状和棒状结构

图片来源：Mark Hanson

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