引力波天文学家在质量差距中发现神秘物体

艺术家描绘的黑洞即将吞噬中子星。

几十年来，天文学家一直对中子星和黑洞之间存在的间隙感到困惑，但是一项重大的新发现在所谓的“质量间隙”中发现了一个神秘物体。

朴茨茅斯大学宇宙与引力研究所的引力波小组在这项研究中发挥了关键作用，这将改变科学家看待中子星和黑洞的方式。

当最大质量的恒星死亡时，它们在自身的重力作用下坍塌并留下黑洞。当质量稍差的恒星死亡时，它们会在超新星中爆炸，并留下密集的，死亡的，称为中子星的恒星残骸。

每当不对称物体加速时，就会发射引力波，其中可检测到的引力波的最强来源是中子星和黑洞的碰撞。这两个物体都是在巨大恒星生命的尽头创造出来的。

“这些发现之所以如此令人兴奋，是因为我们之前从未检测到质量完全在中子星和黑洞之间理论质量间隙之内的物体。”—朴茨茅斯大学天体物理学家Laura Nuttall博士

已知最重的中子星不超过我们太阳质量的两倍半或2.5个太阳质量，而已知最轻的黑洞约为5个太阳质量。

美国国家科学基金会的激光干涉仪重力波天文台（LIGO）和欧洲的处女座探测器进行的这项新研究宣布，发现了一个2.6太阳质量的天体，将其牢固地置于质量差距之内。

LIGO由两台重力波探测器组成，它们在美国相距3000公里，一台在路易斯安那州的利文斯顿，一台在华盛顿州的汉福德。处女座探测器在意大利的卡西纳（Cascina）。

大学宇宙与引力研究所的引力波专家劳拉·努塔尔（Laura Nuttall）博士说：“这些发现之所以如此令人兴奋，是因为我们之前从未检测到质量完全位于中子星与黑洞之间理论质量间隙之内的物体。是我们见过的最浅的黑洞还是最重的中子星？”

朴茨茅斯（Portsmouth）博士生Connor McIsaac进行了一项分析，该分析计算了这一事件的重要性。

Nuttall博士补充说：“康纳的分析使我们确信，这是一种真正的天体物理学现象，而不是某些奇怪的工具行为。”

该物体于2019年8月14日被发现，当时它与23个太阳质量的黑洞合并，产生了LIGO和处女座在地球上发现的引力波飞溅。

该研究中描述的宇宙合并，即GW190814事件，导致了最终的黑洞，其质量约为太阳质量的25倍（合并后的质量中的一些被转换为引力波形式的能量冲击波）。新近形成的黑洞距离地球约8亿光年。

在两个物体合并之前，它们的质量相差9倍，使之成为万有引力波事件中已知的最极端质量比。最近发生的另一起LIGO-Virgo事件称为GW190412，发生在两个黑洞之间，质量比为3：1。

“我认为吃豆人会吃一点，当质量高度不对称时，可以一口吃掉较小的中子星。”—美国西北大学的Vicky Kalogera

美国西北大学教授Vicky Kalogera说：“对于目前的理论模型而言，要形成如此大质量比的紧凑物体合并对是一项挑战，低质量伙伴位于质量间隙中。这一发现意味着这些事件的发生频率比我们预期的要高得多，这使它成为一个有趣的低质量物体。

“这个神秘的物体可能是一个中子星与一个黑洞合并，这是理论上预期的令人兴奋的可能性，但尚未得到观测的证实。”但是，它的质量是我们太阳质量的2.6倍，超出了现代对中子星最大质量的预测，它可能是有史以来最轻的黑洞。

当LIGO和处女座的科学家发现这一合并时，他们立即向天文界发出了警报。跟踪了数十个地基和天基望远镜，以搜寻事件中产生的光波，但没有一个接收到任何信号。到目前为止，在称为GW170817的事件中，这种与重力波信号对应的光仅被看到一次。该事件由LIGO-Virgo网络于2017年8月发现，涉及两个中子星之间的激烈碰撞，随后由地球和太空中的数十个望远镜见证。中子星碰撞是一团乱七八糟的事情，物质朝四面八方抛出，因此有望发出光。相反，在大多数情况下，人们认为黑洞合并不会带来光明。

据LIGO和处女座的科学家称，由于某些可能的原因，基于光的望远镜没有看到2019年8月的事件。首先，此事件距离2017年的合并交易相距六倍，因此更难拾取任何光信号。其次，如果碰撞涉及两个黑洞，则可能不会有任何光亮。第三，如果该物体实际上是中子星，那么它的质量为黑洞的伴侣的9倍可能就将其全部吞没了。一个被黑洞完全消耗掉的中子星不会发出任何光。

“我认为吃豆人会吃一点点，” Kalogera说。“当质量高度不对称时，可以一口吃掉较小的中子星。”用LIGO，处女座
以及可能的其他望远镜进行的未来观察可能会捕捉到类似的事件，这将有助于揭示神秘物体是中子星还是黑色星。孔，或者质量间隙中是否存在其他物体。

有关检测的论文已被接受发表在《天体物理学杂志快报》上。

有关此研究的更多信息：

参考：“ GW190814：由23个太阳质量黑洞与2.6个太阳质量致密物体合并而成的引力波”，作者：R。Abbott等。等，2020年6月23日，《天体物理学杂志快报》。
10.3847 / 2041-8213 / ab960f