【博科園-科學(xué)科普】如果廣義相對論和牛頓引力有一個(gè)主要區(qū)別，那就是在愛因斯坦的理論中沒有什么是永恒的。即使你有兩個(gè)完全穩(wěn)定的質(zhì)量在軌道周圍的軌道，它們的軌道不會(huì)被改變，失去的物質(zhì)或者其他改變——它們的軌道最終會(huì)衰變。而在牛頓引力中兩個(gè)質(zhì)量會(huì)繞其相互作用的引力軌道運(yùn)行而且是永恒的。相對論告訴我們在每一個(gè)質(zhì)量通過引力場加速的每一個(gè)瞬間，都有少量的能量丟失，能量不會(huì)消失，但會(huì)以引力波的形式被帶走。在足夠長的時(shí)間周期內(nèi)，足夠的能量被輻射出去，這兩個(gè)繞軌道的物體將會(huì)相互接觸并結(jié)合在一起?，F(xiàn)在LIGO已經(jīng)三次看到黑洞的發(fā)生。但它可能即將邁出下一步，看到中子星第一次合并。
在合并時(shí)由雙中子星系統(tǒng)發(fā)射的引力波的三維（3D）繪制圖。中心區(qū)域(密度)被拉伸到5倍，以獲得更好的能見度。圖片版權(quán)：AEI Potsdam-Golm
任何在這個(gè)引力場中被捕獲的物體都會(huì)發(fā)出引力波，導(dǎo)致它們的軌道衰變。
LIGO探測到黑洞合并的原因有三個(gè)：
1、他們質(zhì)量非常巨大
2、它們是宇宙中密度最大的物體
3、它們在最終的合并階段以正確的頻率運(yùn)行而被LIGO的激光武器探測到
這一組合：大質(zhì)量、短距離和正確的頻率范圍——給了LIGO團(tuán)隊(duì)一個(gè)巨大的搜索區(qū)域，他們對合并黑洞很敏感，在數(shù)十億光年之外，這些巨大靈感的漣漪甚至可以在地球上感受到。
盡管黑洞應(yīng)該有吸積盤，但黑洞合并產(chǎn)生的電磁信號(hào)應(yīng)該是無法探測到的。如果有電磁對應(yīng)物，它應(yīng)該是由中子星引起的。圖片版權(quán)：NASA / Dana Berry (Skyworks Digital)
宇宙中還有許多其他引起巨大的引力波的物體。星系中心的超大質(zhì)量黑洞吞噬著氣體云、行星、小行星，甚至還有其他恒星和黑洞。不幸的是由于視界是如此之大，它們在軌道上的時(shí)間太長了，并且在錯(cuò)誤的頻率范圍內(nèi)LIGO未能看它們。白矮星、雙星和其他行星系統(tǒng)也存在同樣的問題：這些天體物理太大，因此需要很長時(shí)間才能進(jìn)入軌道。它們都花了很長時(shí)間，事實(shí)上我們需要一個(gè)基于太空的引力波天文臺(tái)——就像麗薩一樣去看它們。但LIGO還有另一個(gè)希望，那就是將中子星合并在一起（體積龐大，密度大，頻率合適）。
當(dāng)兩個(gè)中子星相互環(huán)繞時(shí)，愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了軌道衰變，以及引力輻射的發(fā)射。在合并的最后階段——在引力波中從未觀測到——振幅應(yīng)該如此之高，以至于LIGO可以探測到它們。圖片版權(quán)：NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
中子星可能不像黑洞那么大，但它們的質(zhì)量可能高達(dá)太陽質(zhì)量的數(shù)倍，大約是之前探測過的LIGO事件質(zhì)量的10 - 20%。它們幾乎像黑洞一樣密度緊湊，物理尺寸只有10公里左右。即使黑洞坍縮成奇點(diǎn)，它們?nèi)匀挥幸粋€(gè)視界，而中子星的物理尺寸僅僅比黑洞的視界大小大得多。他們的頻率特別是在合并的最后幾秒鐘，LIGO敏感能力便能探測到它。
如果一個(gè)事件發(fā)生在正確的地方，這里有五個(gè)令人難以置信的事實(shí)，我們可以學(xué)習(xí)：
TOP1、合并中子星真的會(huì)產(chǎn)生伽馬暴嗎？
在兩個(gè)中子星的吸入和合并過程中，應(yīng)該釋放出大量的能量，以及重元素、引力波和電磁信號(hào)，如這里所示。圖片版權(quán)：美國航天局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室
這里有一個(gè)令人難以置信的想法：短的伽馬射線爆發(fā)，它是令人難以置信的能量，但持續(xù)不到兩秒鐘，是由合并中子星引起的。它們發(fā)生在那些沒有形成新恒星的舊星系中，表明只有恒星的尸體才能解釋它們。但是直到我們知道了什么導(dǎo)致了一個(gè)短的伽馬射線爆發(fā)，我們不能確定是什么導(dǎo)致了它們。如果LIGO能夠探測到引力波中一對中子星的合并，我們就可以在隨后看到一個(gè)短的伽馬射線爆發(fā)，這將最終驗(yàn)證和驗(yàn)證天體物理學(xué)中最有趣的一個(gè)想法。
TOP2、當(dāng)中子星碰撞時(shí)它們的質(zhì)量中有多少不會(huì)變成黑洞？
如這里所示兩顆合并的中子星會(huì)螺旋進(jìn)入并發(fā)射引力波，但比黑洞更難探測。然而與黑洞不同，它們應(yīng)該將其質(zhì)量的一小部分噴射回宇宙中，在我們所知道的最重元素中，它占了相當(dāng)大的一部分。圖片版權(quán)：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc
當(dāng)你觀察元素周期表中較重的元素，并問它們是如何制作的，你可能會(huì)認(rèn)為“超新星”就是答案。畢竟這通常是天文學(xué)家講述的故事，而且部分是真實(shí)的。但元素周期表中最重元素——水星、金、鎢、鉛等——實(shí)際上是由中子星碰撞產(chǎn)生的。大部分的質(zhì)量，大約在90 - 95%，從中子星開始形成一個(gè)單一的黑洞在中心，但是其余的外層被拋出，形成了我們銀河系中大部分的這些元素。(注：如果兩顆合并中子星的質(zhì)量之和低于某一閾值，它們就會(huì)形成中子星而不是黑洞。這應(yīng)該很少見，但并非不可能。到底有多少被拋出？如果LIGO檢測到這樣的事件，就可以告訴我們答案。
TOP3、LIGO能看到合并中子星的距離有多遠(yuǎn)？
這里展示了先進(jìn)的LIGO的范圍和探測合并黑洞的能力。合并中子星可能只有十分之一的范圍和0.1%的體積，但是如果中子星足夠充足的話，LIGO可能也有機(jī)會(huì)。圖片版權(quán)：LIGO Collaboration / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas of the Universe
這不是一個(gè)關(guān)于宇宙本身的問題，而是關(guān)于如何接近設(shè)計(jì)靈敏度的高級(jí)LIGO已經(jīng)得到的問題。對于光來說如果物體的距離是10倍，那么它的亮度只有1 / 100，但對于引力波來說，一個(gè)物體10倍的距離有一個(gè)引力波信號(hào)，仍然是1 / 10。黑洞可能在幾百萬光年的距離上觀察到LIGO，但如果它們在我們最接近的大星系團(tuán)中合并，那么中子星可能只有可見的。如果我們看到一個(gè)就能真正知道我們的設(shè)備有多好……。
TOP4、中子星合并的余輝是怎樣的？
當(dāng)兩顆中子星合并時(shí)就像在這里模擬的那樣，它們應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生伽瑪射線暴流，以及其他的電磁現(xiàn)象，如果它們離地球足夠近的話，可能會(huì)出現(xiàn)在我們的一些最偉大的觀測站中。圖片版權(quán)：NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz and L. Rezzolla
我們知道在少數(shù)情況下，與中子星碰撞一致的強(qiáng)大事件發(fā)生了，而且它們有時(shí)會(huì)在其他電磁波段留下標(biāo)記。不僅應(yīng)該有合理的伽馬射線的機(jī)會(huì)，而且還可能有紫外線、光學(xué)、紅外線或無線電。或者可能會(huì)有一個(gè)多光譜對應(yīng)，出現(xiàn)在所有五個(gè)這樣的條帶中。由于中子星的合并非常接近(LIGO可以探測到它)，我們可能有一個(gè)真正的機(jī)會(huì)進(jìn)入大自然最令人難以置信的觀測之一。
TOP5、第一次我們可以將引力波天文學(xué)與傳統(tǒng)的(基于光的)天文學(xué)結(jié)合起來
中子星雖然主要由中性粒子組成，但卻產(chǎn)生了宇宙中最強(qiáng)的磁場。當(dāng)中子星合并時(shí)，它們應(yīng)該同時(shí)產(chǎn)生引力波和電磁信號(hào)。圖片版權(quán)：NASA / Casey Reed - Penn State University
以前的LIGO事件很壯觀，但沒有辦法通過望遠(yuǎn)鏡看到合并，畢竟整個(gè)場景有兩個(gè)問題：
1、事件位置不能精確地由兩個(gè)檢測器決定，即使在原理上也是如此
2、黑洞合并不被認(rèn)為有一個(gè)明亮的電磁(光)相對應(yīng)
現(xiàn)在室女座正在運(yùn)行并與孿生LIGO探測器同步，我們可以對在太空中發(fā)生的引力波事件做出更大的決定。但更重要的是因?yàn)橹凶有堑暮喜?yīng)該有一個(gè)電磁對應(yīng)物，這可能標(biāo)志著第一次引力波天文學(xué)和傳統(tǒng)天文學(xué)可以用來觀測宇宙中的同一事件！
兩個(gè)中子星的吸入和合并，如圖示應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)非常特殊的引力波信號(hào)，但合并的時(shí)刻也應(yīng)該產(chǎn)生獨(dú)特的電磁輻射，這是可以識(shí)別的。圖片版權(quán)：NASA
我們已經(jīng)進(jìn)入了天文學(xué)的新時(shí)代，在那里我們不僅使用望遠(yuǎn)鏡，還使用干涉儀。我們不僅僅是利用光，還有引力波來觀察和了解宇宙。如果合并中子星暴露在LIGO上，即使這些事件很罕見而且探測率很低，這意味著我們將越過下一個(gè)邊界。引力的天空和以光為基礎(chǔ)的天空將不再是陌生人。相反我們將更進(jìn)一步了解宇宙中最極端的物體是如何實(shí)際工作的，我們將有一扇窗戶進(jìn)入我們?nèi)祟悘奈从羞^的宇宙。
作者：Ethan Siegel（天體物理學(xué)家）
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