破纪录数量的引力波事件揭秘天体巨变

萧路

【正见新闻网2021年11月11日】

当宇宙中最为致密的天体,例如中子星和黑洞对撞合并时,就会产生强大的引力波。引力波本质上是时空的波动。也就是说,类似中子星或者黑洞的对撞合并这样的灾难性事件爆发的能量如此之大,以至于周围的时空都产生扭曲并且振动起来。最终这些时空的波动会穿越广阔的宇宙空间传递到地球上,并且被科学家探测到。
自从美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)在2015年首次探测到引力波之后,LIGO和欧洲的VIRGO以及日本的KAGRA引力波探测器陆续观测到了数十次引力波事件,其中包括中子星合并和黑洞合并事件。

最近,这三个引力波探测团队公布新发现,在短短5个月内又探测到了35个引力波事件。在如此短的时间内探测到了这么多个引力波事件打破了之前的观测纪录。

美国凯尼恩学院(Kenyon College)的马德琳·韦德(Madeline Wade)教授在一份声明中说:“LIGO 和Virgo 探测器不断改进,例如增加激光功率和安装挤压光。 有了探测器出色的灵敏度,我们观测到了这么多令人兴奋的引力波事件,包括有史以来第一次中子星黑洞双星系统。”

澳大利亚国立大学(Australian National University)的苏珊·斯科特(Susan Scott)教授在另一份声明中指出,最新的发现代表了一场‘海啸’,“是我们探索宇宙演化秘密的一次重大飞跃。”

新发现的引力波事件使目前探测到的引力波事件总数达到90个。在检测到的35个事件中,32个最有可能是黑洞合并,另外3个是中子星和黑洞之间的碰撞。这意味着宇宙中有大量致密天体正在发生巨变。

“这确实是引力波探测的新时代,不断增长的发现揭示了有关整个宇宙恒星生死存亡的大量信息。” 斯科特说,“我们已经检测到35个事件。非常多!相比之下,我们第一次在2015至2016年的四个月的观测运行中只检测到了三个引力波事件。”

在几年的时间里,引力波科学家已经从第一次观测到宇宙中时空的这些振动,到现在每个月都观察到许多事件,甚至在同一天观察到多个事件。

在从 2019 年 11 月 1 日持续到 2020 年 3 月 27 日的第三次观测周期中,LIGO和Virgo探测器都达到了有史以来最好的性能。

“自 LIGO 和 Virgo 开始观测以来,这些发现表明它们探测到的引力波数量增加了十倍。”斯科特说。

新发现的引力波事件中的黑洞有多种大小。其中最大的黑洞质量约为太阳质量的90倍。而在对撞合并后形成的黑洞有几个质量超过100个太阳质量,被归类为中等质量黑洞。

“直到现在,我们才开始认识到黑洞和中子星的奇妙多样性,”研究合著者、英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)的克里斯托弗·贝瑞(Christopher Berry)讲师在声明中说。 “我们的最新结果证明它们有多种尺寸和组合。我们已经解决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,我们更接近于解开恒星,也是我们宇宙的组成部分,如何演化的谜团。”

黑洞和中子星都是恒星死亡的结果。 当恒星死亡时,它们会坍缩成黑洞,吞噬周围的所有物质。 或者它们可以形成一颗中子星,这是一颗恒星爆炸后留下的极其致密的残余物。根据爱因斯坦的广义相对论,当中子星或者黑洞对撞合并时,就会爆发强大的引力波。

在35个新的引力波事件中,研究团队重点标注了以下一些值得注意的发现:

(i) 编号为GW191219_163120和GW200115_042309的两个事件:可能是中子星和黑洞双星之间的两次合并;其中GW191219_163120中的中子星是迄今为止观测到的质量最小的之一;
(ii) 编号为GW200210_092254的事件:黑洞和一个可能是轻黑洞或重中子星的物体之间的合并;
(iii) 编号为GW200220_061928的事件:一对巨大的黑洞相互环绕,总质量是太阳的 145 倍;
(iv) 编号为GW191204_171526的事件:一对相互绕转的黑洞,其中至少有一个是直立旋转的;
(v) 编号为GW191109_010717的事件:一对相互绕转的黑洞,它们的总质量比太阳重 112 倍,似乎在倒转;
(vi) 编号为GW191129_134029的事件:一对轻黑洞,它们的总重量仅为太阳质量的 18 倍。

澳大利亚墨尔本大学(University of Melbourne)的博士后研究员汉娜·米德尔顿(Hannah Middleton)在声明中说:“每个新的观察周期都会带来新的发现和惊喜。 第三次观测运行看到了引力波观测成为日常,但我仍然认为每次观测都令人兴奋! 未来观察运行肯定会发现更多不寻常的事件——引力波天文学家有很多值得期待的发现。”

LIGO和Virgo天文台目前正在进行进一步升级,并将在2022年下半年开始即将到来的第四个观测期,其灵敏度更高,对应的可观测宇宙体积几乎是以前的5倍,因此,接收到引力信号的可能性要大得多。

 “在Virgo的其它升级中,我们实现了一个额外的光学腔,它可以提高探测器在高频时的灵敏度频带。” 荷兰马斯特里赫特大学(Maastricht University)的助理教授塞巴斯蒂安·斯坦莱克纳(Sebastian Steinlechner)在一份声明中说, “当两个黑洞或恒星合并为一个时,这对应于探测器‘聆听’合并的最后阶段的能力增加。”

日本的KAGRA探测器正在调试中,KAGRA计划加入下一个观测期。能够联合获取数据的探测器网络的扩展将进一步提高源定位的准确性,这是多信使天文学未来发展的一个关键特征。

这项新研究的报告公布在arXiv网站上。
 

添加新评论