LIGO-Virgo在“质量间隙”中发现神秘天体

包括美国西北大学天文学家在内的一个国际合作研究小组在一个令人困惑的区域内发现了一个神秘物体。这个令人困惑的区域被称为“质量缺口”，它位于已知最重的中子星和已知最轻的黑洞之间。这一发现对天体物理学和对低质量致密物体的理解具有重要意义。

当质量最大的恒星死亡时，它们会在自身引力作用下坍缩，留下黑洞;当质量比这个略小的恒星死亡时，它们会爆炸成超新星，留下致密的、死亡的恒星残骸，即中子星。已知最重的中子星不超过2.5倍太阳质量，也就是2.5倍太阳质量，而已知最轻的黑洞大约是5倍太阳质量。几十年来，天文学家一直想知道:在这个质量间隙中有什么物体吗?

现在，在美国国家科学基金会的激光干涉引力波观测台(LIGO)和欧洲处女观测台的一项新研究中，科学家们宣布发现了一个质量为太阳2.6倍的物体，将它牢牢地安置在质隙中。

这个有趣的物体是在2019年8月14日被发现的，当时它与一个23倍太阳质量的黑洞合并，产生了由LIGO和室女座在地球上探测到的引力波。今天(6月23日)《天体物理学杂志快报》发表了一篇关于这次探测的论文。

西北大学的Vicky Kalogera协调撰写了这篇论文，他说:“黑洞和中子星混合性质的合并已经被预测了几十年，但是这个在质量间隙中的致密物体完全是一个惊喜。”“我们真的在推动我们对小质量紧凑物体的认识。尽管我们无法确定该物体的类别，但我们既看到了已知最重的中子星，也看到了已知最轻的黑洞。不管怎样，它都打破了记录。”

Kalogera是LIGO科学合作组织(LSC)的一位主要天体物理学家，他是致密双星天体物理学和引力波数据分析方面的专家。她是Daniel I. Linzer杰出大学物理学和天文学教授，西北大学温伯格文理学院天体物理跨学科探索和研究中心主任。

研究双星合并形成的论文合著者马里奥·斯佩拉说:“尽管我们不确定这个小质量致密天体的性质，但我们已经获得了一个非常可靠的质量测量值，它正好落在所谓的质量间隙中。”他是室女座合作组织成员，也是CIERA和帕多瓦大学的欧盟玛丽·居里博士后研究员。

“这一令人兴奋和前所未有的发现，加上合并事件的独特质量比，挑战了所有试图阐明这一事件起源的天体物理模型，”Spera说。“然而，我们非常确定，宇宙无数次地告诉我们，我们对于紧凑的物体是如何形成、进化和融合的想法仍然非常模糊。”

该研究中描述的宇宙合并事件称为GW190814，最终形成了一个质量约为太阳25倍的黑洞。(部分合并后的质量转化为以引力波形式产生的爆炸能量)。新形成的黑洞距离地球约8亿光年。

在这两个天体合并之前，它们的质量相差9倍，这是已知的引力波事件中最极端的质量比。最近报道的另一个lig -室女座黑洞事件名为GW190412，发生在两个质量比约为4:1的黑洞之间。

除了卡洛杰拉和斯佩拉，参与这项研究的其他西北大学研究人员还有蔡斯·金博尔(Chase Kimball)、克里斯托弗·贝里(Christopher Berry)和迈克·泽文(Mike Zevin)。这三人是本文的作者，也是CIERA的成员。

金博尔是天文学博士生，也是LSC成员，他评估了GW190814这样的合并在宇宙中发生的频率。Berry, CIERA Board of Visitors Research Professor，是LSC所有出版物的编辑委员会成员，也是本次研究的首席代表。Zevin是一名天文学博士生，也是LSC的成员，为天体物理学的解释和GW190412发现论文的撰写做出了贡献。

Kalogera说:“对于目前的理论模型来说，要形成具有如此极端质量比的紧密物体对是一个挑战，在这种质量比中，低质量的伙伴处于质量间隙中。”“这一发现意味着这些事件发生的频率比我们预测的要频繁得多，这使得它成为一个真正有趣的低质量物体。”

她说:“这个神秘的物体可能是一颗中子星与一个黑洞合并——这在理论上是一种令人兴奋的可能性，但观测尚未证实。”“然而，它的质量是太阳的2.6倍，超过了现代预测的中子星的最大质量，可能是迄今为止发现的最轻的黑洞。”

“无论这个物体是重中子星还是轻黑洞，这都是新一类双星合并的首次发现，”金博尔补充道。“二元人口模型必须考虑到我们现在可以推断出这类事件发生的频率。”

当LIGO和室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。数十个地面和天基望远镜跟踪观测了这次事件产生的光波，但没有一个望远镜捕捉到任何信号。

到目前为止，这种与引力波信号相对应的光只在一个名为GW170817的事件中出现过一次。2017年8月，LIGO-Virgo网络发现了这一事件，它涉及到两颗中子星之间的剧烈碰撞，随后地球上和太空中的数十台望远镜都观测到了这一事件。中子星碰撞是一种杂乱的事情，物质向四面八方喷射，因此预计会发出光。相反，在大多数情况下，黑洞合并被认为不会产生光。

根据LIGO和室女座科学家的说法，由于一些可能的原因，2019年8月的事件没有被观测到。首先，这一事件的距离是2017年观测到的合并距离的6倍，这使得探测到任何光信号变得更加困难。其次，如果碰撞涉及两个黑洞，它可能不会发出任何光。第三，如果这个物体实际上是一颗中子星，那么它的黑洞搭档可能会把它整个吞下去;被黑洞完全吞噬的中子星不会发出任何光。

“我想到吃豆人吃点东西，”Kalogera说。“当质量高度不对称时，较小的致密物体可以被黑洞一口吃掉。”

研究人员如何才能知道这个神秘物体是中子星还是黑洞呢?未来用LIGO或其他望远镜进行的观测可能会捕捉到类似的事件，这将有助于揭示在质量间隙中是否存在其他天体。

美国国家科学基金会(NSF)的引力物理学项目主管佩德罗·马罗内蒂(Pedro Marronetti)说:“数十年来，质量缺口一直是一个令人感兴趣的谜题，现在我们发现了一个正好适合它的物体。”如果不违背我们对极高密度物质的理解，或者违背我们对恒星演化的了解，就无法解释这一点。这一观测结果是引力波天文学领域变革潜力的又一例证，它通过每一项新探测都带来了新的见解。”

这篇《天体物理学快报》的论文题为《GW190814:一个23米的黑洞与一个2.6米的致密物体合并产生的引力波》。

关于引力波天文台的补充信息:

LIGO由美国国家科学基金会资助，由加州理工学院和麻省理工学院运营，这两个学院构想了LIGO并领导了这个项目。美国国家科学基金会和德国(马克斯·普朗克协会)、英国(科学技术设施理事会)和澳大利亚(澳大利亚研究理事会- ozgrav)共同为先进LIGO项目提供了资金支持，并对该项目做出了重大承诺和贡献。来自世界各地的大约1300名科学家通过LIGO科学合作项目参与了这项工作，其中包括地球观测合作项目。还提供了其他合作伙伴的列表。

Virgo合作组织目前由来自11个不同国家的99个研究所的大约520名成员组成，这些国家包括比利时、法国、德国、匈牙利、意大利、荷兰、波兰和西班牙。欧洲引力观测台(EGO)在意大利比萨附近安装了室女座探测器，由法国国家科学研究中心(CNRS)、意大利国家核子研究中心(INFN)和荷兰尼克夫研究所资助。处女座协作小组的列表是可用的。

网络研讨会系列:

对于那些希望更深入地了解LIGO-Virgo的观测结果以及其他最新观测成果的人，该团队已经安排了一个面向科学观众的网络研讨会。称为LIGO-Virgo-KAGRA网络研讨会系列，这将是一系列深入讨论引力波网络结果的网络研讨会中的第一个。一小时的Zoom网络研讨会将于6月25日下午14:00举行(协调世界时14:00，太平洋夏令时7:00;东部夏令时上午10时;16:00中欧夏季时间;日本标准时间23:00)。

注册，请访问:https://zoom.us/webinar/register/3315925939436/WN_rsJximZ8R36WqZnMH16IrA

主题:研究，温伯格文理学院