LIGO正在寻找这8种引力波源,恒星死亡后能生成黑洞

by admin on 2019年5月18日

原标题:恒星死亡后能生成黑洞,但其生成模式有三种,有种黑洞和宇宙同龄

科技日报记者 刘霞

黑洞是宇宙中最奇葩的天体之一,其引力之强密度之大让人叹为观止,它的形成至少有四种方式,恒星爆炸死亡产生的黑洞只是其中的一种,下面将黑洞的几种形成方式分别叙述一下。

自2015年“先进激光引力波天文台”启动并首次探测到引力波以来,引力波探测器已探测到13次由双黑洞碰撞产生的引力波、2次由双中子星碰撞产生的引力波,并于4月26日首次探测到疑似由黑洞和中子星碰撞产生的引力波。

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“金风玉露一相逢,胜却人间无数”,引力波探测器的宇宙寻宝活动正如火如荼地进行中。英国《科学新闻》双周刊网站在6日的报道中,为我们列出了已经“现身”的引力波来源,以及其他可能的引力波源。

1.原生黑洞

中国国家天文台研究员张承民对科技日报记者说:“引力波可让天文学家观察到一些至今都未能观察到的宇宙场景;一瞥宇宙形成初期的精彩瞬间等。”

有一种学说认为宇宙中有很多黑洞的形成时间几乎和宇宙相等,它们在宇宙大爆炸十秒钟之内诞生,这是由于宇宙大爆炸之后由于物质和能量的分布极不均匀,所以在某些物质和能量密度极高的地方直接就形成了黑洞,
这个时候整个宇宙的物质和能量活动都是非常激烈的,这样的黑洞被叫做原生黑洞,其质量有大有小,比如很多星系级黑洞以及一些类星体的中心基本都是这类黑洞。

成对碰撞的黑洞

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状态:已经发现

2.中子星吸积物质形成黑洞

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有一种黑洞是由中子星吸积物质形成的,比如当中子星不断的吸收伴星上的物质,当质量到达一定程度的时候就会从内部发生坍缩而形成黑洞,这个过程也会伴随一次超新星爆发,
其过程比恒星主序星阶段结束之后的超新星爆发更加激烈,不过爆发之后产生的物质和能量基本都会被黑洞所吞噬。

LIGO第一次捕获的引力波源正是一对相互碰撞的黑洞,每个黑洞的质量约为太阳质量的30倍。LIGO于2015年9月14日探测到这一引力波事件。

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3.中子星相撞形成黑洞

张承民解释道:“这一事件证明,大质量运动星体的确可以撼动时空产生引力波,这正如在一个世纪前发表的爱因斯坦广义相对论所预测的那样。不仅如此,这一发现还证明,地球上的高精度实验可以探测到这些引力波——而爱因斯坦对此持怀疑态度。”

另外一种中子星形成黑洞的情况就是中子星相撞了。这个过程也异常激烈,会有大量的重元素抛散到宇宙中,黄金就是这么形成的,而其产生的引力波跨过几亿光年的距离都能被我们监测到。比如去年8月天文学家们发现的中子星合并产生引力波的事件,三个引力波天文台的研究人员都发现了两颗中子星的碰撞,该事件被称为GW170817,之后的几个月对碰撞中心区域的观察却没有发现什么天体,后来根据对该区域的x射线观察,发现其最终产物是一个质量约为太阳质量2.7倍的黑洞,这应该是人类观测到的最直观的黑洞形成过程了吧。

LIGO三位创始人也因为发现引力波,荣膺2017年诺贝尔物理学奖。

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成对碰撞的中子星

4.超新星爆发形成黑洞

状态:已经发现

超新星爆发形成黑洞是宇宙中最常见的黑洞形成模式,其过程大致是原始质量大于30倍太阳的天体在内部核聚变进行的铁元素的时候发生超新星爆发,内部在高温高压作用下会直接生成黑洞。不过超新星爆发产生黑洞的形成过程还没有被捕捉到,这主要是由于形成黑洞的超新星爆发不容易遇到,比如银河系中有数千亿颗恒星,但是100年中的超新星爆发不过只有两三次,容易被观察到的平均一次都不到,并且也不是所有的超新星爆发都会形成黑洞,有很多有很多都是形成中子星的,通常只有原始质量超过太阳30倍的恒星发生超新星爆发才会成为黑洞。

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据张承民介绍,中子星是8-25个太阳质量的大型恒星死亡后、在自身重力的作用下发生坍缩的产物,其体积相对较小,密度却大得惊人,相当于将全球人口置于人的手心。

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此前,科学家就预言,一对中子星相互绕转碰撞,可能产生引力波。功夫不负有心人,2017年8月,LIGO-Virgo团队捕获了第一个此类事件,并于今年4月25日再次捕获此类事件。

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图片说明:物理学家使用LIGO和Virgo天文台捕捉宇宙中的各种碰撞,包括成对的中子星。来源:英国《科学新闻》双周刊网站

而且,科学家借助电磁波段的望远镜进行的后续观察,揭示了第一对中子星相互绕转碰撞的隐藏细节,包括撞击后产生了金、银和铂金等贵金属元素。

一颗中子星撞入一个黑洞内

状态:可能已经发现

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另一种可以在时空中产生引力波的合并类似于我们在冰淇淋摊上看见的巧克力香草漩涡:一个黑洞和一个中子星合并成一个极端星体。LIGO-Virgo可能于4月26日看到了这种合并的“蛛丝马迹”,但鉴于信号太弱,科学家们目前还无法对其盖棺论定。

张承民解释道,如果证实该信号的确代表了一个黑洞和一颗中子星相撞,那将证明这两种天体可以“比邻而居”。在合并之前,该黑洞和中子星曾经组成了一个紧密的二元系统,相互绕轨道运行,最后一起踏入坟墓。

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科学家们称,研究这样一个系统有助于梳理构成中子星内部所谓“核面食”的神秘物质。天体物理学家推测,恒星变成中子星时,密集的中子会以不同方式被推移和拉动,导致其在表面下形成各种形状。这类似于不同种类的意大利面食,因此被统称为“核面食”。

2017年“现身”的中子星合并事件向科学家们泄露了一些中子星构成的细节,包括它们的最大质量和松软度。监控黑洞-中子星合并可以向我们展示,在一个黑洞的极端引力附近,中子星会如何变形,这也是与“核面食”行为有关的一个谜团。

中等质量黑洞的碰撞

状态:尚未发现

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迄今为止,LIGO和Virgo探测到的所有黑洞的质量都为恒星质量,这意味着它们的“体重”通常不到太阳的100倍。物理学家们也知道,超大质量黑洞的“体重”是太阳质量的数百万或数十亿倍,但目前尚不清楚是否存在质量介于这两者之间的黑洞。

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引力波探测器的鸟瞰图

Virgo团队成员、意大利特兰托大学的乔瓦尼·安德里亚·普罗迪表示,这种中等质量的黑洞“可能介于恒星质量黑洞与星系中心超大质量黑洞之间”。

以前的研究已经看到了这种中等质量黑洞的“蛛丝马迹”,但探测到彼此相撞产生的引力波将是更明确的证据。

一颗凹凸不平的中子星

状态:尚未发现

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另一种揭示中子星“核面食”秘密的方法是探测其表面的微型“山脉”。2018年10月,美国和加拿大科学家在《物理评论快报》上撰文指出,“核面食”由于强度极高、密度极大,甚至可以堆叠成“山脉”,把部分中子星的外壳顶起来,在其表面形成凸起。在中子星旋转过程中(中子星旋转的速度极快),这些凸起处理论上会形成引力波。这样的引力波有助于解释“核面食”需要多大的硬度,才能支撑这些凸起的“山脉”。

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科学家曾探测到两颗中子星相撞产生的引力波,但要判断“核面条”是否与之有关,还需要开展大量研究,因此,探测到表面有凸起的中子星也成为科学家们心目中“在水一方的佳人”。

当然,与其他大多数引力波来源不同,表面有凸起的中子星将产生连续的引力波辐射。

超新星爆发

状态:尚未发现

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LIGO和Virgo也可以从超新星爆发中捕获引力波,超新星爆发是大质量恒星生命结束时的一种电磁辐射极其明亮的剧烈爆炸。

张承民介绍说:“超新星爆发会发射出许多光和粒子,包括被称为‘幽灵粒子’的中微子,它们出生于爆发中央的深处,但科学家迄今一直未曾理清楚,究竟是什么让一颗恒星爆发成一颗超新星。”

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张承民表示,我们知道的是,在超新星爆发期间,恒星的中心核坍塌,由此产生的原子-中子星从坍缩核的残余那里收集物质,原子-中子星表面的涡流会使其像钟摆一样振动,发出引力波。

普林斯顿大学的天体物理学家戴维·拉迪斯及其同事于4月29日在《天体物理学杂志快报》上报告说,这种特定的引力波信号与涡流的强度和新生中子星的结构密切相关,“引力波、中微子和来自下一颗银河系超新星的光波可以让我们了解这颗爆炸恒星的结构、以及驱使爆炸发生的机制。”

但问题在于,天文学家们不知道下一颗超新星爆发何时发生。拉迪斯说:“根据我们的估算,每100年可能只有2次超新星爆发,所以我们需要非常幸运,或者非常有耐心。”

大爆炸产生的引力波

状态:尚未发现

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物理学家们认为,来自宇宙各处的许多小引力波一直在争先恐后地涌入地球,这些小引力波构成了引力波的随机背景,就像拥挤房间里各种各样的杂音。

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物理学家认为,至少其中有一些“杂音”来自宇宙大爆炸。探测到大爆炸本身产生的引力波意味着科学家们能比以往任何时候都更深入地了解宇宙的历史,但这种信号很难与其他信号分离开。LIGO团队成员、伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的克里斯托弗·贝瑞说:“目前的探测器还无法‘揪出’这些信号。”

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当然,探测器也有可能发现科学家们目前还不认识的引力波来源。贝瑞说,每当研究人员以新的方式观察宇宙时,他们都会发现一些意料之外的东西。

LIGO发言人、威斯康星大学密尔沃基分校的帕特里克·布雷迪说:“引力波天文学的时代已经到来,这个全新宇宙的窗口有望为我们提供一个全新的视角,来逐一揭开笼罩在宇宙头上的神秘面纱。”

来源:科技日报 文中图片除标注外来自网络

编辑:刘义阳

审核:管晶晶

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