黑洞與中子星合併現象
2019年8月14日，位於美國和意大利的引力波探測器同時捕捉到一個來自遙遠星空的信號。人類，首次觀測到黑洞與中子星並合產生的引力波信號。
大約8.7億年前，兩顆死亡的恒星相遇。這次激烈的碰撞激起一陣時空漣漪，以引力波的形式向宇宙各處傳播。上周三，位於美國的LIGO和意大利的Virgo引力波探測器同時捕捉到這個來自遙遠星空的信號。21秒後，全球天文學傢的手機與電腦收到系統發送的消息。人類，首次觀測到黑洞與中子星並合產生的引力波信號。
黑洞碰撞引發學界譁然
北京時間8月15日5時11分18秒，位於美國的激光幹涉引力波天文臺（LIGO）和意大利的Virgo引力波探測器同時觀測到一組引力波信號。
2015年9月，LIGO首次觀測到兩個黑洞碰撞產生的引力波信號。消息在次年公佈後，成為年度最重磅的科學新聞，三位貢獻巨大的物理學傢也在2017年迅速摘得諾獎。第一組引力波信號橫空出世後，LIGO與Virgo的探測走上瞭正軌，新的引力波信號不斷出現。2017年，它們還首次觀測到兩顆中子星並合產生的引力波信號。截至目前，LIGO-Virgo已經探測到瞭十餘次來自黑洞，以及兩次源自中子星的並合事件。
但是，當最新的觀測數據出現在天文學傢的面前時，他們卻大吃一驚。這一次，LIGO和Virgo為他們找到瞭前所未見的現象。
“當我看到數據，我的下巴都嚇掉瞭。”LIGO團隊成員，加州州立大學富爾頓分校的Geoffrey Lovelace說。
由於發生碰撞的兩個天體質量較輕，系統最初無法識別出天體的種類。為此，天文學傢不得不尋找伴隨這一事件的電磁信號，因為電磁信號隻在中子星參與時出現。隨後的分析指出，這次的信號是由黑洞和中子星間的碰撞產生的。
這是科學傢首次觀測到此類現象，也是繼黑洞-黑洞碰撞、中子星-中子星碰撞之後，科學傢通過引力波信號探測到的第三類天體碰撞事件。如果這一結論最終得到確認，這起名為S190814bv的事件，將使得天文學研究進入全新的紀元：將為科學傢理解廣義相對論、恒星死亡與神秘天體提供全新的視野。
出人意料的信號
Chad Hanna是賓州州立大學的天體物理學傢，他也是LIGO團隊的成員，負責為LIGO探測到的事件進行快速分類。Hanna說，事件發生時，“我立即意識到，這是非常重要的信號。”
根據引力波信號的形態、時長等即時特征，研究團隊在20秒之內，就能根據算法分辨出每一次碰撞的類型，這樣天文學傢能迅速將天文望遠鏡對準信號出現的天區。很快，全球的科學傢開始瞭接力觀測。很快，美國科學傢確認，這極有可能是一次源自黑洞與中子星的並合事件。
捕捉到類似的信號
今年4月，LIGO-Virgo就捕捉到一次類似的信號，但當時科學傢並不能確定這一信號來自深空。模型顯示，該事件有七分之一的可能性是來自地面的假信號。換句話說，這樣的“假信號”每20個月會出現一次。
相比之下，最新的信號則要“可靠”得多。天文學傢確認，上周最新捕捉到的信號來自宇宙天體並合的置信度超過瞭99%。也就是說，如果這是假信號，那麼這將是1000億年一遇的假信號。Lovelace說：“當這一數字遠遠超出宇宙的年齡，你知道它一定是真實的。”
不過，盡管S190814bv的置信度如此之高，但目前科學傢仍不敢斷言，此次碰撞的雙方一定是黑洞與中子星。一個重要的隱患，是其中一顆天體的質量。根據現有的數據，所有黑洞的質量都在5個太陽質量以上，而所有中子星都不超過3個太陽質量。
而在最新的碰撞事件中，一個天體可以確定落在黑洞的質量范疇中，但較輕的天體卻處在一個尷尬的模糊地帶。根據初步觀測數據，這顆天體的質量略大於3個太陽質量。如果進一步的觀測證實其質量在1~2個太陽質量之間，那麼可以確定這是一次中子星與黑洞的碰撞事件；但如果仍舊接近3個太陽質量，就有可能需要改寫中子星與黑洞的質量界線。
接下來，LIGO-Virgo團隊需要利用當今最強大的模型來檢測此次信號。由於模型過於復雜，他們不可能在短時間內就得出結論。值得註意的是，當前的理論模型主要是基於兩個質量相近的天體的碰撞。但在最新的事件中，兩個天體的質量相差很大。因此，在應用先前的模型時，科學傢需要格外謹慎。
黑洞如何吞下中子星
最初，LIGO兩臺探測器中的一臺與Virgo共同發現瞭該信號；第二天，科學傢從LIGO另一臺探測器中手動得到瞭數據。來自三臺探測器的數據能讓科學傢更精確地定位事件發生的位置。
精確的定位將信號來源限制在相當於天圖面積0.06%的狹小區域。在這裡，天文學傢可以盡情尋找可能伴隨中子星死亡的伽馬射線與可見光。“理論上，覆蓋這片區域是很快的。”美國佈蘭迪斯大學的宇宙學傢Marcelle Soares-Santos說。
黑洞與中子星相遇的畫面是怎樣的？沒有人能給出確切的答案，但天文學傢預測瞭兩種可能的結局：或許，黑洞巨大的引力將中子星撕碎，後者隻餘下發光的遺骸，一步步被黑洞吞噬，光芒逐漸變得黯淡，直至消失殆盡。另一種可能性是，我們什麼都看不見，因為黑洞一口氣就將整個中子星吞下。
目前，LIGO-Virgo的模擬傾向於第二種假說，但並無定論。而第一次觀測，即使什麼都沒有看見，也能為揭開這個謎題提供有用的信息。“如果沒有相伴的電磁輻射，將對現有的理論造成巨大沖擊。”Soares-Santos說。
探索中子態
對於物理學傢而言，發現黑洞-中子星的並合有著重要意義。
首先，這項發現將幫助科學傢認識神秘天體——中子星。中子星內部含有宇宙中最致密的物質（黑洞並不是物質，而是極端彎曲的時空），但物理學傢對其內部結構知之甚少。而中子星的內部構成，與其密度、體積等特征相關。例如，如果中子星中的物質以基本粒子的等離子體形式存在，那麼特定質量的中子星體積應該更小。
此次觀測到的引力波的精細結構、能否觀測到閃光，都將幫助物理學傢限制中子星的體積與密度。“對於核物理學傢而言，此次觀測如同聖杯。”加州大學伯克利分校的博士後Ben Margalit說。
黑洞吞噬中子星的事件，也可以為在極端條件下驗證廣義相對論提供絕佳的場所。此前，物理學傢嘗試在黑洞周圍這樣引力極強的環境下檢驗廣義相對論。這樣的嘗試已經足夠困難，而現在，加上高溫、動蕩、磁化的中子星物質（中子態），將進一步提升驗證廣義相對論的挑戰性。
退一萬步說，即使上周觀測到的時空漣漪沒能直接幫助我們解釋上述問題，研究人員也相信，它是一系列類似觀測的開端。從今天開始，一扇研究宇宙物理的門正徐徐打開。