科學家們探測到了中子星與潛在黑洞在質量縫隙中碰撞產生的引力波
科學家們探測到了中子星與潛在黑洞在質量縫隙中碰撞產生的引力波，這表明此類宇宙事件可能比預期的更爲常見。朴茨茅斯大學宇宙學與引力研究所（ICG）的研究人員幫助探測到了一個非凡的引力波信號，這可能是解開宇宙之謎的關鍵。LIGO-Virgo-KAGRA合作組織由來自世界各地的1600多名科學家組成，其中包括ICG的成員，旨在探測引力波並利用引力波探索科學的基本原理。
低質量間隙黑洞（深灰色表面）與中子星的凝聚與合併，顏色從深藍色（每立方厘米 60 克）到白色（每立方厘米 600 千克）不等，凸顯了中子星低密度物質的強烈變形。資料來源：I. Markin（波茨坦大學）、T. Dietrich（波茨坦大學和馬克斯-普朗克引力物理研究所）、H. Pfeiffer、A. Buonanno（馬克斯-普朗克引力物理研究所）。
2023 年 5 月，就在 LIGO-Virgo-KAGRA 第四次觀測運行開始後不久，位於美國路易斯安那州的 LIGO 利文斯頓探測器觀測到了一個引力波信號，該信號來自於很可能是一顆中子星與一個質量爲太陽 2.5 至 4.5 倍的緊湊天體的碰撞。
中子星和黑洞都是緊湊型天體，是大質量恆星爆炸後的緻密殘餘物。這個名爲 GW230529 的信號之所以引人入勝，是因爲它的質量較大。它處於已知最重的中子星和最輕的黑洞之間可能存在的質量差距之內。引力波信號本身並不能揭示這個天體的性質。未來對類似事件的探測，特別是那些伴隨着電磁輻射爆發的事件，可能有助於解決這個問題。
不列顛哥倫比亞大學助理教授、LIGO 科學合作組織副發言人傑斯-麥基弗博士（Dr. Jess McIver）說："這次探測是我們從第四次 LIGO-Virgo-KAGRA 觀測運行中獲得的第一個令人興奮的結果，它揭示了中子星和低質量黑洞之間的類似碰撞的發生率可能比我們之前想象的要高。"
由於只有一個引力波探測器看到了這一事件，因此評估它是否真實變得更加困難。
這幅圖像顯示了低質量間隙黑洞（深灰色表面）與中子星的合併，顏色從深橙色（每立方厘米 100 萬噸）到白色（每立方厘米 6 億噸）不等。引力波信號用一組正偏振的應變振幅值表示，顏色從深藍色到青色不等。資料來源：I. Markin（波茨坦大學）、T. Dietrich（波茨坦大學和馬克斯-普朗克引力物理研究所）、H. Pfeiffer、A. Buonanno（馬克斯-普朗克引力物理研究所）。
檢測技術的進步
ICG 的研究軟件工程師 Gareth Cabourn Davies 博士開發了用於在單個探測器中搜索事件的工具。他說"通過在多個探測器中看到事件來證實事件是我們從噪聲中分離信號的最強大工具之一。通過使用適當的背景噪聲模型，即使在沒有其他探測器支持我們所看到的情況下，我們也能判斷出一個事件"。
在2015年探測到引力波之前，恆星質量黑洞的質量主要是通過X射線觀測發現的，而中子星的質量則是通過無線電觀測發現的。由此得出的測量結果分爲兩個截然不同的範圍，兩者之間的差距約爲太陽質量的 2 到 5 倍。多年來，有少量測量結果蠶食了這一質量差距，天體物理學家對此仍有很大爭議。
最新研究結果的影響
對 GW230529 信號的分析表明，它來自兩個緊湊型天體的合併，其中一個天體的質量是太陽質量的 1.2 到 2.0 倍，另一個天體的質量是太陽質量的兩倍多一點。
雖然引力波信號沒有提供足夠的信息來確定這些緊湊的天體是中子星還是黑洞，但看起來較輕的天體很可能是中子星，而較重的天體則是黑洞。LIGO-Virgo-KAGRA合作組織的科學家們確信，較重的天體就在質量差距之內。
引力波觀測現在已經提供了近 200 個緊湊天體質量的測量值。其中，只有一次併合可能涉及質量鴻溝緊湊天體--GW190814 信號來自黑洞與一個緊湊天體的併合，該天體的質量超過了已知最重的中子星，而且可能在質量鴻溝之內。
來自美國西北大學的 Sylvia Biscoveanu 博士說："雖然之前已經報道過引力波和電磁波中存在質量間隙天體的證據，但這個系統尤其令人興奮，因爲它是首次引力波探測到與中子星配對的質量間隙天體。對這一系統的觀測對雙星演化理論和緊湊天體合併的電磁對應理論都有重要意義"。
正在進行和未來的觀察
第四次觀測運行計劃持續 20 個月，其中包括幾個月的間歇期，以便對探測器進行維護並進行一些必要的改進。截至 2024 年 1 月 16 日，也就是當前的間歇期開始時，總共發現了 81 個重要的候選信號。GW230529 是經過詳細調查後公佈的第一個候選信號。
第四次觀測運行將於 2024 年 4 月 10 日恢復，LIGO Hanford、LIGO Livingston 和 Virgo 探測器將同時運行。觀測運行將持續到 2025 年 2 月，不會再有中斷觀測的計劃。
在觀測運行繼續進行的同時，LIGO-Virgo-KAGRA 的研究人員正在分析運行前半段的數據，並檢查已經確定的其餘 80 個重要候選信號。到 2025 年 2 月第四次觀測運行結束時，觀測到的引力波信號總數將超過 200 個。
編譯來源：ScitechDaily