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重大发现!天文学家第一次发现黑洞吃掉中子星,爱因斯坦又对了?

根据《天体物理学杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)刊载的一项新研究[1],天文学家有了重磅发现第一次探测到了黑洞中子星的碰撞所释放出的引力波,最远来自于10亿光年之外,再一次证明了爱因斯坦百年前的预言。

那么,引力波是什么?爱因斯坦又是如何预言的?这次的最新发现又有什么特别之处?

牛顿的万有引力定律告诉我们,只要物体有质量,它们之间就会产生引力作用。但牛顿没有解释引力是如何产生的,引力的作用速度有多快。虽然万有引力定律可以预言海王星的存在,但却无法说明水星轨道的近日点进动问题,这意味着该理论一定不是完美的。

在牛顿之后,爱因斯坦在1915年创立了广义相对论,从完全不同的角度来解释引力。爱因斯坦认为,有质量的物体会把原来平坦的空间压弯,在弯曲空间中,物体之间有相互靠近的趋势,从而表现出引力效应。

万有引力定律能解释的引力现象,广义相对论也都能解释,而万有引力定律无能为力时,广义相对论仍然有效。不仅如此,广义相对论还预言了未知的现象,例如,引力的传播速度是光速、有质量的物体加速运动时会产生引力波、宇宙中存在吞噬光的黑洞。

在广义相对论诞生100年后,天文学家终于首次直接发现了引力波,由两个黑洞碰撞所产生。该发现也证明,引力波的传播速度也是光速。到了2018年,天文学家首次直接捕捉到了黑洞照片,这进一步证实了广义相对论。

引力波之所以在广义相对论诞生一个世纪后才直接发现,是因为这种效应极其微弱,以致于爱因斯坦都觉得无法探测到。只有黑洞碰撞这样的宇宙灾难,才能爆发出足够强大的引力波。

探测引力波的装置是一种激光干涉仪,有着两条互相垂直的等长干涉臂。当引力波经过探测器时,引起了时空的波动,导致一条干涉臂被拉长,另一条干涉臂被压缩,当一束被分离的激光穿过两条干涉臂时,由于光程发生变化,将会探测到引力波的存在。

在著名物理学家基普・索恩的主导下,人类建造了史上最强大的引力波探测器――激光干涉引力波天文台(LIGO)。为了让干涉仪具有极高的灵敏度,干涉臂的长度达到了4公里,并且通过光子的来回反射,可以让干涉臂的有效长度延伸到1600公里。LIGO能够探测到10^-18米的长度变化,这只有质子直径的千分之一。

凭借着强大的LIGO以及原理类似的室女座干涉仪(Virgo),天文学家先后探测了远在数亿、数十亿光年外的黑洞合并产生的引力波。此后,这些引力波探测器又发现了两个中子星合并所释放出的引力波。

然而,还有一种更为罕见的碰撞没有探测到,那就是黑洞和中子星的碰撞。直到最近,天文学家才首次确认发现了黑洞和中子星的直接碰撞,LIGO和Virgo在去年一月曾先后两次发现这样的引力波信号。

第一次是GW200105,来自于一个质量为太阳8.9倍的黑洞和一个质量为太阳1.9倍的中子星碰撞。该信号源位于9亿光年之外,这意味着此次碰撞事件发生在9亿年前,引力波经过9亿年的时间才到达地球。

幸运的是,仅仅过了10天之后,天文学家又探测到另一起强烈的引力波信号GW200115,来自于一个质量为太阳5.7倍的黑洞和一个质量为太阳1.5倍的中子星碰撞。该信号源位于更远的宇宙,距离地球达到了10亿光年,这意味着该碰撞事件要比上一起更早发生1亿年的时间。

在探测到这两起引力波事件之后,天文学家马上通过各种波段的天文望远镜来观测这两片天区,结果并没有发现任何的电磁波信号。这与双中子星的合并不同,两颗中子星碰撞时,将会合成出大量的金、铂等元素,也会释放出强烈的电磁波。

天文学家认为,这两个黑洞并不是把它们附近的中子星撕碎掉,也不是慢慢地碰撞,而是黑洞直接一口吃掉了整个中子星。因此,这个过程并不会发出电磁波,只会产生震撼宇宙的引力波。

在这两次引力波事件中,无论是黑洞,还是中子星,它们的前身都是质量在太阳8倍以上的大质量恒星。这些恒星快速耗尽燃料后,将会爆发成闪耀宇宙的超新星,核心部分将会被自身重力强烈压缩成黑洞和中子星。

经过漫长时间的互相绕行,两个致密天体的轨道不断衰减,直至发生碰撞。引力波最终击中数以亿计光年外的地球,让我们目睹了不可思议的宇宙大碰撞。

参考文献

[1] R. Abbott, T. D. Abbott, S. Abraham, et al. Observation of Gravitational Waves from Two Neutron StarCBlack Hole Coalescences, The Astrophysical Journal Letters, 2021, 915, L5.