引力波和黑洞深度解析（宇宙宝藏引力波）

引力波宝藏显示黑洞、中子星碰撞

一位艺术家描绘的碰撞黑洞在时空结构中引起涟漪（图片编辑:R. Hurt/Caltech-JPL）

科学家发布了迄今为止最大的引力波探测目录，为宇宙中质量最大的物体，黑洞和中子星的相互作用提供了新的线索。

编纂这个目录是由三台具有开创性的探测系统所实现的：其中两台激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿，另外一台是位于意大利比萨的欧洲处女座（Virgo）引力波天线。

该目录包含35次新发现的引力波事件，即1916年爱因斯坦在广义相对论中预测的时空涟漪。这批最新的探测结果是在开始于2019年11月的测量活动中得到的，不过这次测量活动由于新冠疫情（COVID-19）被迫中止于2020年3月。因此迄今为止探测到的引力波事件总数达到90次。

美国LIGO天文台于2015年公布了第一次引力波探测。此后这项技术取得了巨大的进步，在观测过程中，探测器每个月都会捕获一个信号。

根据欧洲Virgo天文台的一份声明，大部分新探测到的引力波都是由黑洞融合触发的。但这份目录同时也包含了三次探测，可能标志着中子星和黑洞的碰撞。

黑洞和中子星是大质量超巨星的坍塌核心，也是宇宙中密度最大、质量最大的天体。当它们进入彼此的引力场时，它们开始围绕彼此旋转，形成一个双星系统。此时产生的强大引力触发了宇宙“地震”，这些震动在空间中回荡，扭曲了时空结构。最终，这些物体碰撞合并，形成新的超大质量黑洞。

“在最近探测到的合并过程中形成的黑洞的质量超过太阳质量的一百倍”，资助英国致力于引力波研究的机构——英国国家科研与创新署（UKRI）在一份报告中说。在这份报告中他们还说，“这么大的黑洞目前只能从理论上预测，而最近的观测可能最终证明它们的存在”。

参与这项研究的苏格兰格拉斯哥大学讲师克里斯托弗·贝瑞 (Christopher Berry) 在声明中说：“直到现在，我们才开始欣赏黑洞和中子星奇妙的多样性。” “我们的最新研究结果证明它们有多种尺寸和组合的碰撞。我们已经解开了一些长期存在的谜团，但也发现了一些新的谜题。利用这些观察资料，我们更加接近解开这些作为宇宙积木的恒星是如何演化的谜题。”

在活动期间探测到的黑洞和中子星之间三个疑似碰撞中，有一个可能涉及一颗质量仅为太阳 1.17 倍的中子星。根据 UKRI 的说法，如果估算是正确的，这将是有史以来发现的质量最小的中子星之一。

Virgo天文台在声明中说，这些观察结果现已公开给更广泛的科学界，以便其他研究人员能分析这些事件并做出新的发现。研究这些宇宙震荡的回声将揭示相关物体性质，以及碰撞期间发生的进程的新的数据。

澳大利亚国立大学的天体物理学家苏珊·斯科特（Susan Scott）也参与了这项研究，她在一份声明中说，通过观察这些双星系统中黑洞的质量和旋转可以了解这些系统最初是如何发展的。

斯科特在声明中说：“这确实是引力波探测的新时代，不断增长的发现揭示了整个宇宙中恒星生死的大量信息。”

“这也提出了一些非常有趣的问题。例如，这个系统到底是由两颗经历了它们各自生命周期并最终变成两个黑洞的恒星形成的？抑或是两个黑洞被一个例如银河系中心这样的非常致密的动力学环境中推到一起的？”

从最新的目录可以看出，自2015年突破性的发现以来，引力波探测取得了极大的进步。由于仪器灵敏度的提高，科学家们现在每个月都会在天文台运行时进行新的探测。事实上，目前90次探测中有70次都是在2019年以来的最后两次观察中进行的。

LIGO天文台和Virgo天文台目前都在进行改进，以进一步提高其灵敏度，并为将于2022年年中开始的新观测做准备。这次升级意味着，这两个天文台将能够探测到来自几乎比以前大10倍的宇宙空间的信号。

当LIGO天文台和Virgo天文台恢复工作时，日本的神冈引力波探测器(KAGRA)也将加入进来，该探测器于2020年2月上线。

更高的灵敏度，更多的探测器——这意味着更多的新发现即将出现。

相关知识

中子星是巨大的超巨星坍缩后的核心。超巨星的总质量在10到25个太阳质量之间，如果特别富含金属的话，其质量可能会更大。除了黑洞和一些假设的物体(例如白洞、夸克星和奇异星)，中子星是目前已知的体积最小、密度最大的星体。中子星的半径约为10公里(6.2英里)，质量约为1.4个太阳质量。中子星是由巨大恒星的超新星爆炸和引力坍缩共同导致的，其中引力坍缩压缩了核心的密度，使其超过了白矮星的密度，达到了原子核的密度。

一旦形成，它们就不再积极地产生热量，并随时间冷却;然而，它们仍可能通过碰撞或吸积进一步演化。这些物体的大多数基本模型表明，中子星几乎完全由中子(一种没有净电荷、质量略大于质子的亚原子粒子)组成;在中子星的条件下，普通物质中的电子和质子结合起来产生中子。

中子简并压是保利不相容原理所描述的一种现象，中子星在一定程度上可以通过中子简并压来抵抗进一步的坍缩，就像白矮星可以通过电子简并压来抵抗坍缩一样。然而，中子简并压本身不足以支撑0.7M以上的物体，核斥力在支撑更大质量的中子星时发挥着更大的作用。如果残星的质量超过托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限(约2个太阳质量)，简并压和核斥力的结合不足以支撑中子星，中子星将继续坍缩，形成黑洞。到目前为止，探测到的最大的中子星PSR J0740 6620估计有2.14个太阳的质量。

BY： Tereza Pultarova

FY：Astronomical volunteer team

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