黑洞竟会像“吃豆人”一样吞掉中子星？

黑洞和中子星组成的独特双星系统

“在这些天文事件中，黑洞并不会像饼干怪兽（译注：儿童电视节目《芝麻街》中一个蓝色的布偶角色）一样咀嚼掉中子星，还把碎片弄得到处都是。”一位物理学家说。

通过引力波对宇宙发生的大小事件进行了四年多的探究后，科学家们终于发现了第三种预期的碰撞类型——而且观测到了这种碰撞两次。

这种新的碰撞类型里有一个黑洞和一个中子星，所以算是某种混搭型的碰撞。科学家们已经观察了数十起成对黑洞融合的天文事件，和数起成对中子星、超大密度的恒星残骸融合的天文事件，尽管科学家们已经预期有黑洞和中子星间的碰撞，但是这一天文事件还未被确切探测到。

现在，研究人员则说他们已经做到这点了，观察到了由这种碰撞引起的独特时空涟漪（引力波）。

阿斯特丽德·兰贝茨（Astrid Lamberts）是国家科学研究中心（CNRS）的研究员，在尼斯蔚蓝海岸天文台（Observatoire de la Côte d'Azur）工作，她在一份声明中说道：“随着在银河系之外新发现了中子星和黑洞的融合，我们就发现了这种缺失的双星系统。我们终于能渐渐弄清楚有多少这样的系统存在了，弄清楚它们融合的频率，弄清楚为什么我们在银河系还没有看到这样的例子。“

图解：黑洞和中子星融合时产生引力波的艺术构想图。图源：马克·迈尔斯（Mark Myers），澳大利亚研究理事会引力波发现研究中心/斯威本科技大学（OzGrav/Swinburne University）。

这两个新的探测都发生在2020年1月，间隔10天，科学家根据观测到两个碰撞时的日期，把它们分别命名为GW200105和GW200115。其中一个碰撞，激光干涉引力波天文台（LIGO）的两个双子探测器和类似的室女座（Virgo）探测器都探测到了，而另一个碰撞，只有LIOG的其中一个探测器和室女座探测器探测到。（此项目的合作伙伴现在包括了的神冈引力波探测器（KAGRA），但是神冈引力波探测器在2020年2月才开始运行。）

对GW200115的探测非常好，它被全部三个探测器都探测到了。科学家们认为它的碰撞涉及一个质量几乎是太阳6倍的黑洞，吞噬一个质量为太阳1.5倍的中子星，这一融合发生在6.5亿至15亿光年之外。

GW200105没有受到确切的探测。但是科学家们怀疑它的融合，是一个质量约为太阳9倍的黑洞与一个质量约为太阳两倍的中子星融合，这一融合发生在大约5.5亿至13亿光年以外。

图解：融合中的黑洞和中子星显示潮汐力撕裂（tidal disruption）的艺术概念图。

图源：可视化：T.狄特里希（T.Dietrich）、N.菲舍尔（N.Fischer）、S.奥索金（S.Ossokine）、H.法伊弗（H.Pfeiffer）、T.武（T.Vu）；模拟：V.查拉西亚（V.Chaurasia）、T.狄特里希。

科学家们还不确定这些混搭型的融合是否产生了可见光信号，是的话正如成对中子星融合时那样，否的话正如两个黑洞融合的例子那样。

天文学家们无法将任意一条这些新的引力波探测结果，与光波观测结果匹配，但是这不一定就意味着不存在这种相符合的闪光。因为对于较不精确的探测，科学家们只能把源头出现的范围缩小到大约17%的天空面积；而对于较精确的探测，科学家们依然要面对相当于2900颗满月大的区域。除此之外，碰撞地点距离我们非常远，所以不管什么光线达到地球时，都会变得极其暗淡。

然而，科学家们还是怀疑：至少对这些特别的融合来说，没有能看到的光信号。

威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家、LIGO科学合作组织目前的发言人帕特里克·布雷迪（Patrick Brady）在一份声明中说：“在这些天文事件中，黑洞并不会像饼干怪兽一样咀嚼掉中子星，还把碎片弄得到处都是。正是‘把碎片弄得到处都是’会产生光，我们认为这些案例中不会发生这种情况。”（这种咀嚼吞食也叫做潮汐力撕裂。）

图解：这张图片显示了引力波探测器观测到的碰撞天体初始的质量和最终的质量。

图源：弗兰克·埃拉夫斯基（Frank Elavsky）/LIGO-室女座探测器、阿伦·盖勒（Aaron Geller）/西北大学。

这两起天文事件标志着科学家们首次看到黑洞和中子星的融合，而且确信是混搭型的融合。不过对于更前面的两起探测，虽然同样的情况也可能发生了，但是科学家们连其中一起都不能肯定。这些天文事件中的其中一起在2019年8月被探测到，一个大黑洞，要么与一颗已知最大的中子星融合了，要么与一个已知最小的黑洞融合了。另一起天文事件被探测到的时间还要早4个月，它或许是一种混搭型的融合，但也可能只是探测器中的杂音。

鉴于2020年1月的两起观测，科学家们现在预测：在距地球10亿光年以内，每月都会发生一次一个黑洞和一颗中子星的融合。

对于这种融合如何发生，科学家们给出了两种理论。其中一种理论认为：双星系统的每一个成员都会独自变成超新星，爆炸后形成两个致密的残骸，最终融合。另一种理论则认为：分隔开的恒星会先经历超新星爆炸，然后才形成双星系统。

这两起新观测到的碰撞还不足以确定到底发生了什么，但是科学家们希望凭借引力波探测最终可以解决这个谜团。

伊利诺伊州西北大学博士后、该研究的共同作者之一马娅·菲施巴赫（Maya Fishbach）在一份大学的声明中说：“我们对中子星和黑洞还有太多不了解的地方——它们能有多小、能有多大，它们的旋转速度能有多快，它们如何成对融合在一起。随着将来获得引力波数据，我们就能用统计数据回答这些问题，并能最终弄清楚我们宇宙中最极端的天体是如何产生的。”

LIGO的两个双子探测器、室女座探测器和神冈探测器，都在为第四轮合作观测活动做准备，这轮观测活动定于明年夏天开始。科学家们说在这项工作中，探测器每天都可能探测到一个引力波信号，从而让科学家们对宇宙正在发生的事，获得比之前巨量多的信息，例如上述这些戏剧性的融合。

澳大利亚国立大学物理学家、该研究的共同作者之一苏珊·斯科特（Susan Scott）在一份大学的声明中说：“每次撞击不只是两个巨大而致密的天体碰到一起。那融合的确很像是‘吃豆人’——黑洞会将它的中子星同伴整个吞下去。这些撞击已经撼动到了宇宙核心，我们已经探测到的它们产生的时空涟漪，在宇宙中极速传播。”

BY: Meghan Bartels

FY: redbeard305050

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