宇宙里曾發(fā)生了神秘的一幕。
大約8億光年之外，一個(gè)黑洞吞噬了一個(gè)不明天體，釋放出的能量激起了時(shí)空的漣漪。這種漣漪名叫引力波，跨越浩瀚宇宙，于2019年8月14日抵達(dá)了地球。地球上三個(gè)靈敏度極高的探測器測量了這波記錄著此次吞噬時(shí)間的微小擾動(dòng)。天文學(xué)家破解了引力波中蘊(yùn)含的信息，卻遇到了新的謎團(tuán)。
這次宇宙碰撞編號為GW190814，在LIGO和Virgo兩大機(jī)構(gòu)探測到的幾十次宇宙并合事件中很是突出。幾百萬年甚至幾十億年來，這兩個(gè)天體都在繞著彼此盤旋，距離越來越近直至碰撞在一起。天文學(xué)家認(rèn)定其中一個(gè)天體是一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于23個(gè)太陽的黑洞。另一個(gè)被黑洞囫圇吞下的天體，質(zhì)量約為太陽的2.6倍，是一個(gè)無法定義的神秘天體。
“可以確信的是，我們之前從沒見過這種東西?！泵绹鞅贝髮W(xué)的Vicky Kalogera說。他統(tǒng)籌撰寫的此次并合事件報(bào)告近日發(fā)表在了《天體物理雜志快報(bào)（Astrophysical Journal Letters）》。
這個(gè)神秘天體恰好處在臨界點(diǎn)上，既像是像恒星一樣擁有表面的天體，又像是時(shí)空無底洞即黑洞。其質(zhì)量介于已知最重的中子星（恒星發(fā)生超新星爆發(fā)后的殘留物）與最輕的黑洞（恒星殘骸足夠致密而形成的密度無限大的點(diǎn)）之間。
科學(xué)家們一直在研究中子星與黑洞的界限，因?yàn)槠浣缦弈芙沂驹谟钪孀顦O端條件下物質(zhì)的行為。并且，由于這些奇特的天體是恒星演化的最終歸宿，某種程度而言，當(dāng)所有恒星都燃燒殆盡之時(shí)，可能只剩下它們漂浮在空蕩宇宙中。正因如此，鑒定GW190814事件中那顆怪異天體的性質(zhì)就變得尤為誘人。
Kalogera說：“如果它是一顆中子星，那這顆中子星的質(zhì)量可真是讓人興奮。如果它是一個(gè)黑洞，那這個(gè)黑洞的質(zhì)量也同樣令人興奮。無論如何，當(dāng)我們看到它那一刻，它讓我們眾多的天線為之一振?！?/p>
傾聽引力
引力波以光速傳播，所經(jīng)之物，皆會(huì)波及。但是，它們彎曲時(shí)空的程度太小，極難被人探測到。LIGO設(shè)在美國華盛頓州和路易斯安那州的探測器，以及Virgo設(shè)在意大利的探測器會(huì)來回發(fā)射激光束，測量激光來回傳播所需的時(shí)間。正常傳播時(shí)間發(fā)生的任何微小改變，都可能是時(shí)空的收縮或擴(kuò)張引起的。
2015年，該探測取得首次成功，觀測結(jié)果最終榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，多數(shù)探測都指向了成對黑洞的碰撞事件。天文學(xué)家也探測到了中子星碰撞產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。但是，與那些早期的碰撞并合事件不同，科學(xué)家們還在竭力鑒定GW190814事件中兩個(gè)天體的真正性質(zhì)。
這次事件中，較重的那個(gè)天體顯然是黑洞，而較輕的天體卻是少數(shù)已知的、介于中子星和黑洞之間質(zhì)量間隙（mass gap）的天體之一。在這個(gè)間隙的某個(gè)位置，物質(zhì)變得不穩(wěn)定，會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞，而中子星恰好處在這個(gè)極限值的邊緣。
美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的Zaven Arzoumanian說：“大自然給穩(wěn)定物質(zhì)的密度施加了一個(gè)極限。但我們不知道那個(gè)極限是什么，也不知道超過極限之后的物質(zhì)會(huì)變成什么?！彼菄H空間站中子星項(xiàng)目NICER的科研負(fù)責(zé)人。
美國亞利桑那大學(xué)研究中子星的Feryal ?zel稱，觀測表明，中子星的質(zhì)量上限約為太陽的2.1倍，多數(shù)都接近1.4倍。有觀測指出存在更重的中子星，約為太陽質(zhì)量的2.5倍，但其數(shù)據(jù)并不可靠。關(guān)于中子星內(nèi)部物理特性的理論，卻難以界定當(dāng)中子星質(zhì)量增大時(shí)是什么阻止其坍縮。
從這個(gè)質(zhì)量間隙的另一側(cè)來說，目前觀測到的最輕的黑洞約為太陽質(zhì)量的5倍。直至最近，2.1倍太陽質(zhì)量與5倍太陽質(zhì)量的中間地帶，幾乎空無一物。LIGO發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)天體是兩顆中子星撞在一起的產(chǎn)物，質(zhì)量約為太陽的2.7倍。
截至目前，尚不清楚最近這次并合事件中的黑洞是吃掉了同類的另一個(gè)黑洞，還是像吃零食一樣吞下了一顆中子星。
?zel說：“如果最終證實(shí)那是一顆中子星，如果中子星能達(dá)到2.6倍太陽質(zhì)量，那可真的是改寫研究范式的先例?！?/p>
她和Kalogera懷疑這個(gè)天體是一個(gè)輕質(zhì)量的黑洞。?zel說：“我們還無法用物理上的原因來闡釋為什么黑洞不能達(dá)到2.6倍太陽質(zhì)量?！钡麄儍晌欢贾赋鲆氪_切查明會(huì)很難。這個(gè)系統(tǒng)對于其他天文臺(tái)而言太過遙遠(yuǎn)，無法研究。此外，兩個(gè)天體的質(zhì)量差異還掩蓋著另一個(gè)線索：假設(shè)那個(gè)黑洞的質(zhì)量再小一些，就可能觀測到它把接近它的中子星扭曲變形并撕碎，而不是一口吞下。若真如此，緩慢而雜亂的并合過程就會(huì)在引力波里留下可識別的痕跡。
?zel說：“我想我們沒有任何機(jī)會(huì)知曉那個(gè)天體究竟是什么。表明它是中子星的信號并不存在，但這信號的缺席沒有任何意義。”
未知起源
即使我們不知道那顆天體究竟是什么，但GW190814事件中的兩個(gè)天體仍然很值得注意，因?yàn)樗鼈儭昂懿话闩洹薄IGO和Virgo觀測到的多數(shù)碰撞事件里，成對的天體質(zhì)量上都相對接近，但是，GW190814事件中的黑洞約為23倍太陽質(zhì)量，幾乎是另一天體的9倍。
?zel說：“我們之前真的沒見過這種。它可能會(huì)使我們開啟之前從未做過的引力測試，也讓我們提出了關(guān)于這類雙星組合的許多疑問。”
這一系統(tǒng)的不對稱性，使科學(xué)家難以解釋其起源和環(huán)境。比如，在球狀星團(tuán)（圍繞星系旋轉(zhuǎn)的緊密恒星團(tuán)簇）中，成對的致密天體在質(zhì)量上可能更為平等。在星系內(nèi)部，獨(dú)立演化的系統(tǒng)可能產(chǎn)生不平衡的成對天體，但這類系統(tǒng)的碰撞預(yù)計(jì)不會(huì)那么頻繁，以至于產(chǎn)生這類觀測結(jié)果。
該研究團(tuán)隊(duì)還在考慮更奇特的構(gòu)造情形，比如多個(gè)并合系統(tǒng)、松散結(jié)合的恒星團(tuán)，以及天體陷入繞超大質(zhì)量黑洞盤旋的物質(zhì)盤里等等。
但是，正如宇宙中存在無限的可能性一樣，它也蘊(yùn)含著許多未知。
Arzoumanian說：“中子星的一個(gè)迷人之處在于，它們代表著物質(zhì)在引力坍縮中的最后一站。在中子星發(fā)生內(nèi)爆并坍縮到自身的事件視界之內(nèi)永遠(yuǎn)無法被再次看到之前，物質(zhì)所能達(dá)到的最高的穩(wěn)定密度是多少？”
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