天文学家发现“恒星坟场”

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原文链接：https://www.space.com/astronomy/gravitational-waves-reveal-stellar-graveyard-packed-with-neutron-star-and-black-hole-mergers

编译：雷丰图

校对：牧夫天文校对组

后期：王启儒

责任编辑：王启儒

天文学家通过引力波——这种时空中的微小涟漪最早由爱因斯坦在1915年预言——发现了一个"恒星坟场"。这里挤满了黑洞与中子星等极端恒星残骸的融合景象，这些致密天体诞生于大质量恒星在超新星爆发中走向死亡的时刻。

此次探测还捕捉到迄今最大规模的双黑洞合并信号——这些引力波领域的"最强音"，同样印证了恒星残骸间的碰撞融合现象。

卡费拉（Calvera）星系的概念图——这个奇特的天体系统包含一颗高速逃逸的脉冲星与超新星遗迹的诡异组合。

Credit: (Main) Robert Lea (created with Canva) (Inset) LIGO-Virgo-KAGRA Aaron Geller/ Northwestern)

通过LIGO、Virgo和KAGRA三大引力波探测器联合观测，科学家将黑洞与中子星混合合并的已知案例从原先的1例增加至2例。其它合并事件则更为普遍，在2023年5月至2024年1月期间的观测中，研究团队共捕捉到128起宇宙合并事件，相当于平均每两天就记录到一次天体碰撞的引力波信号。

格拉斯哥大学引力研究所团队负责人丹尼尔·威廉姆斯表示："这次数据更新充分展现了国际引力波探测网络与先进分析技术的卓越能力——我们甚至能从极其微弱的数据波动中捕捉到宇宙的脉动。"

威廉姆斯补充道："在为期两年的第四轮观测中，仅前段数据就已拓展了我们对宇宙坟场的认知边界——特别是观测到了迄今最庞大的黑洞系统。"

通过引力波探测到的恒星坟场中黑洞与中子星质量分布图谱

Credit: LIGO-Virgo-KAGRA/ Aaron geller/ Northwestern

这项突破性研究不仅帮助科学家更清晰地勾勒恒星生死循环如何孕育黑洞与中子星，更揭示了黑洞通过碰撞合并实现质量增长的宇宙规律。研究团队成员克里斯托弗·贝里生动比喻道："正如古生物学家通过恐龙化石复原远古巨兽，我们正通过恒星死亡后留下的黑洞与中子星残骸，解读宇宙中最壮丽的生命循环史诗。"

贝里进一步阐释道："质量越大的恒星寿命越短暂，传统观测手段难以捕捉其演化过程。这些恒星诞生环境千差万别。有些恒星形成于核星团等致密星群中，与数百万颗恒星紧密相邻。在这种高密度环境中，我们推测双黑洞合并后的残余黑洞可能会捕获新伴侣进行二次融合，从而形成更庞大的黑洞系统。"

贝里指出，通过引力波瞬变目录第四版（GWTC-4.0）的数据，LIGO-Virgo-KAGRA科研团队发现关键线索：部分黑洞信号可能源自此前合并形成的次级黑洞。"区分由恒星坍缩形成的原生黑洞与合并产生的次级黑洞，将帮助我们破解恒星的生存奥秘及其在宇宙中的分布规律，"贝里补充道，"这就像通过DNA溯源来重建生命演化树。"

一张展示引力波探测事件的时序分布图，清晰标注了各次观测运行期间对应的发现记录。

Credit: Derek Davis/ Rhiannon Lidall/ Caltech/ LIGO-Virgo-KAGRA

这项研究不仅勾勒出超大质量恒星的生命轨迹，更将成为破解宇宙膨胀之谜的新钥匙。

团队成员瑞秋·格雷解释道："宇宙犹如不断膨胀的巨幕，而哈勃常数正是丈量其膨胀速度的标尺。黑洞合并的奇妙之处在于，我们可以直接从观测中推算出它们的距离。每一次黑洞碰撞的发生，都在为测算宇宙膨胀速率提供关键坐标。"她继续阐述道，"通过整合多次合并事件的数据，我们能更精确测算哈勃常数，从而破解现代天文学的核心谜题，即宇宙究竟在以多快的速度膨胀？"最新数据中包含迄今探测到的最强烈信号——代号GW230814的引力波信号。此类发现也为验证爱因斯坦1915年提出的广义相对论提供了绝佳样本。

团队科学家约翰维奇解释道："信号越强烈，我们检测潜在偏差的精度就越高。至今为止，爱因斯坦的理论通过了所有检验，但我们仍在持续深挖！这类分析必须依靠多台引力波探测器的协同观测，才能实现信号交叉验证。"这一突破得益于2020年起对LIGO、Virgo和KAGRA三大探测器的灵敏度升级，它们分别位于美国、意大利和日本，共同织就了一张捕捉宇宙涟漪的全球监测网。

值得注意的是，在GW230529和GW230518这两个黑洞与中子星混合合并的引力波事件中，科学家并未观测到预期伴随的电磁辐射闪光。

团队负责人威廉姆斯总结道："虽然此次我们仅捕捉到引力波信号，但随着薇拉·鲁宾望远镜等新一代观测设备的投入使用，未来实现引力波与电磁信号联合探测的可能性正在大幅提升。"

——The End——

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

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Image Credit: NASA, ESA, CSA, Webb; Processing: M. Villenave et al.

牧夫

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