遙望星辰大海，看似平靜，卻也激流涌動，“眉目傳情、暗送秋波”現(xiàn)象在天文探測中時有發(fā)生。

6月29日，《天體物理學(xué)雜志快報》發(fā)表論文稱，來自美國LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA的天文學(xué)家公布了他們的合作成果。在LIGO和Virgo的第三輪運(yùn)行中，天文學(xué)家接連發(fā)現(xiàn)了兩例來自黑洞-中子星并合的引力波事件——GW200105和GW200115。

這是人類首次確認(rèn)黑洞-中子星并合。至此，通過“活捉”引力波，人類拼好了包括雙黑洞和雙中子星并合的三種致密雙星并合“魔方”。

科學(xué)家如何確定引力波來源?此次發(fā)現(xiàn)有何特殊之處?引力波還能在哪些領(lǐng)域取得新突破?帶著這些疑問，科技日報記者與天文研究專家對話，一同尋覓。

捕獲引力波或是巧合

“對一個天體對象的探測，無非有兩種方法：一個是引力，一個是電磁波。”華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授鄒遠(yuǎn)川說，首次探測到黑洞—中子星并合事件，或是巧合。

早在2015年9月14日，人類首次通過LIGO和Virgo發(fā)現(xiàn)了雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波， 這也是首次探測到引力波， 因此獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎。

兩年后，2017年8月17日， 科學(xué)家觀測到雙中子星并合產(chǎn)生的引力波， 同時也看到并合后拋出的中子物質(zhì)間接產(chǎn)生的伽馬射線,光學(xué)輻射等電磁信號。

鄒遠(yuǎn)川介紹，至此，對致密雙星并合的探測中，地面引力波探測器只剩黑洞-中子星并合事件未看到。這次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探測成果，正好完成了拼圖.

“近年來，以LIGO為代表的引力波探測器，靈敏度穩(wěn)步提升，這是人類發(fā)現(xiàn)黑洞-中子星并合事件的關(guān)鍵。”北京師范大學(xué)引力波與宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)室博士朱興江介紹，相對而言，黑洞-中子星并合或許沒有雙黑洞、雙中子星并合頻繁，我們需要能看得更遠(yuǎn)的探測器去發(fā)現(xiàn)它們。

時隔四年，黑洞-中子星并合為何最后一個被探測到?

鄒遠(yuǎn)川認(rèn)為，主要原因有兩個， 一是該事件發(fā)生率較低且信號強(qiáng)度比較弱， 目前被探測到的絕大多數(shù)是雙黑洞并合， 其質(zhì)量比中子星大幾十倍，產(chǎn)生的信號強(qiáng)烈; 二是巧合， 如雙中子星并合的理論探測率也不高， 目前一只看到了一個， 先于黑洞-中子星發(fā)現(xiàn)，也僅是巧合.

“黑洞-中子星并合原則上也會輻射電磁波，但在這兩個并合事件中，沒有探測到任何電磁波信號。”朱興江說，可能是它們距離地球太遠(yuǎn)，且方位不清，難以捕捉，抑或是黑洞質(zhì)量比中子星大很多，中子星直接被黑洞吞噬了，僅造成時空的震顫，沒有留下其他任何痕跡。

質(zhì)量決定身份

鄒遠(yuǎn)川說，判斷并合事件類型，主要以兩個天體的質(zhì)量來確定，引力波波形中包含并合天體的質(zhì)量信息。

中子星質(zhì)量上限， 稱為奧本海默極限， 大致為三倍的太陽質(zhì)量， 致密天體超過該質(zhì)量可以確定為黑洞.

這次探測到的引力波事件GW200105，為約8.9倍太陽質(zhì)量和1.9倍太陽質(zhì)量致密天體并合， GW200115則是約5.9倍太陽質(zhì)量和約1.4倍太陽質(zhì)量致密天體并合。其中質(zhì)量大的為黑洞， 質(zhì)量小的被認(rèn)為是中子星。

“原則上，兩個更小質(zhì)量的天體也可能是黑洞，但其質(zhì)量與中子星一致，且以前并未發(fā)現(xiàn)如此輕的黑洞，所以判斷是黑洞-中子星并合最為合適。”朱興江介紹。

目前，地面引力波探測器發(fā)現(xiàn)的50余例引力波事件均來自兩個致密天體的繞轉(zhuǎn)和并合現(xiàn)象。

“引力波頻率不同， 探測手段也不一樣。”鄒遠(yuǎn)川說，宇宙中的超新星爆發(fā)、中子星或白矮星非對稱振動、宇宙深處超大質(zhì)量雙黑洞并合、 小黑洞圍繞超大質(zhì)量黑洞的旋進(jìn)和宇宙早期一些劇烈物理過程都會產(chǎn)生引力波。

鄒遠(yuǎn)川介紹，目前，LIGO、Virgo和KAGRA主要探測千赫茲的引力波。我國天琴計劃、太極計劃及歐洲的LISA計劃為空間引力波探測計劃， 主要探測毫赫茲附近的引力波。此外，更低頻的，約1納赫茲引力波， 主要以脈沖計時整列的方式探測。

“不少信號特征，與我們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)的聲音相似。”朱興江說，引力波信號隨機(jī)背景類似收音機(jī)播放的噪聲，旋轉(zhuǎn)中子星的信號則是一個單頻連續(xù)信號，超新星爆發(fā)的信號可能是一個短暫的爆炸聲，兩個致密天體繞轉(zhuǎn)的信號或更像鳥叫聲，科學(xué)家們形象地稱之為啁啾信號。

“理論驗(yàn)證”開啟探秘之門

“探測到黑洞-中子星并合事件 湊齊了三種致密雙星并合的拼圖， 符合理論預(yù)期。”鄒遠(yuǎn)川如是說，GW200105和GW200115兩個事件均未觀測到電磁對應(yīng)信號， 也和理論預(yù)期一致。

他介紹，黑洞-中子星并合有兩種情形， 若黑洞質(zhì)量比較大， 黑洞將直接吞噬中子星， 預(yù)期沒有電磁輻射， 符合目前觀測到的兩個事例; 或是黑洞質(zhì)量較小， 則通過潮汐力撕裂并合時候的中子星， 其中部分中子物質(zhì)被拋射出去， 產(chǎn)生核合成及電磁輻射。

因此，伴有電磁輻射的黑洞-中子星并合事件是下一個值得期待的突破。

朱興江認(rèn)為，這次觀測成果證實(shí)了包括銀河系在內(nèi)的黑洞-中子星雙星系統(tǒng)，或在宇宙中廣泛存在，“黑洞-脈沖星系統(tǒng)也許很快將被發(fā)現(xiàn)。”

在鄒遠(yuǎn)川看來，更長遠(yuǎn)的突破是地面引力波探測設(shè)備進(jìn)一步升級， 能觀測到宇宙中所有正在發(fā)生并合的雙致密星， 為人類了解恒星特別是雙星的演化提供絕佳手段， 可以不受阻礙地知道宇宙中所有正在發(fā)生的某類事情。

同時，我國天琴計劃、太極計劃和歐洲LISA計劃實(shí)施后， 將能觀測到宇宙早期超大質(zhì)量黑洞的并合， 為我們理解星系中心黑洞的成長歷史提供直接證據(jù)。

“聯(lián)合探測十分值得期待。”鄒遠(yuǎn)川興奮地說，把較低頻的空間引力波探測和LIGO的千赫茲探測結(jié)合， 加上頻率接收范圍介于二者之間的探測器， 可監(jiān)測雙致密從互相繞轉(zhuǎn)到最終并合的整個歷史， 還能提前預(yù)報并合事件， 得以讓傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡提前觀測， 將引力波和電磁信號進(jìn)行聯(lián)合， 讓人類全面了解黑洞的本質(zhì)等神秘現(xiàn)象。(記者 吳純新 劉志偉)

關(guān)鍵詞： 引力波 致密雙星 天文探測 黑洞 中子星并合