9億光年外黑洞和中子星組了個CP？
聽說在美國東部時間8月14日下午5點10分39秒，位於美國的LIGO和位於義大利Virgo巨型探測器探測到了一次奇異事件。科學家們通過數據分析，認為這是由一對黑洞和中子星在約9億光年之外相互運動併合產生的一束引力波脈衝。
自從2015年LIGO探測到引力波，這幾年引力波已經成為了我們的老朋友，但這次的發現卻被稱為「諾獎級」發現！那麼這對黑洞-中子星CP會帶給我們什麼驚喜呢？小編詢問了中國科學院國家天文台引力波天體物理研究團組首席研究員陸由俊，看看他怎麼說吧~
圖片來源：美國《科學》雜誌官網
Q：什麼是中子星？如何推測此次是黑洞與中子星合併的過程？
陸由俊：大質量（大約9-25個太陽質量）恆星演化至死亡時，因強大的吸引力導致星體坍縮產生超新星爆發拋射外部物質，其中心的終極產物是中子星。中子星由中子組成，類似於一個只有中子的大原子核，通過中子間並壓支撐引力達至平衡。一般中子星的大小約為1到2個多太陽質量，半徑為10多公里，具體尺寸依賴於目前還未完全理解的內部物態。若恆星質量大於約25個太陽質量，其死亡時中心產物的質量大於2-3太陽質量，則中子間並壓不足以支撐引力，因而只能進一步坍縮形成黑洞。目前的天文觀測和理論計算也表明，黑洞的質量大於3-5個太陽質量。
中子星藝術概念圖 圖片來源：網路
一般來說，由引力波信號可以非常準確地測得併合雙星系統的啁啾質量，也即雙星兩成分質量的一個組合量，同時還可以較準確地給出兩成分各自的質量。若由引力波信號得到的雙星系統中較小的成分的質量在1至2個太陽質量左右，而主成分質量大於5個太陽質量，基本可以斷定它是黑洞-中子星併合。此次LIGO/VIRGO官方給出的是探測到一黑洞-中子星併合的引力波信號，應該就是如此判斷的。不過目前LIGO/VIRGO合作組還未明確給出該系統的質量、質量比等物理參數。
另外，還有一種可能是該系統仍是黑洞-黑洞併合，只不過它是由原初黑洞形成的雙黑洞系統，不受恆星演化的黑洞質量下限的限制。這一可能概率可能較小，但若觀測不到電磁對應體且主成分質量較大，就難以完全排除，若探測到電磁對應體就可以完全排除。
Q：黑洞-黑洞、雙中子星、黑洞-中子星合併這三個哪個更加普遍？為什麼？
陸由俊：目前的理論計算表明雙中子星併合的事件發生率最大，黑洞-黑洞雙星次之，黑洞-中子星最少。相對於雙中子星，黑洞-黑洞雙星需要由更大質量的（雙）恆星系統形成，而隨著質量的增加，（雙）恆星的數目顯著減少，因此黑洞-黑洞雙星相較於雙中子星數目要少。再考慮各自的具體形成演化過程，預期雙中子星併合率比黑洞-黑洞併合率要大。事實上，因為對大質量雙星演化過程中很多物理過程的理解還不充分，因而雙中子星併合和雙黑洞併合的數目理論估計目前還有很大的不確定性。
雙中子星併合示意圖 圖片來源：網路
另外，黑洞-中子星系統主要是由較大質量比的雙恆星系統形成，但大質量比雙恆星系統相較等質量比恆星系統要少，且具體的形成過程略有差異，導致其併合數目較少。觀測上，目前測得的黑洞-黑洞併合引力波事件遠多於雙中子星併合引力波事件，原因是黑洞-黑洞併合系統的質量遠大於雙中子星併合的質量，其引力波信號也顯著強於雙中子星系統的信號，因而更容易被探測到。根據現有的引力波探測結合模型估計的黑洞-黑洞併合率確實小於雙中子星併合率。
Q：從2015年第一次探測到引力波至今，為什麼黑洞-中子星併合「現身」較少？
陸由俊：原因有二，其一是黑洞-中子星的併合率相對較小，其二是該類併合產生的引力波信號也較目前探測到的黑洞-黑洞併合弱的多。
Q：中子星是密度是僅次於黑洞的天體，黑洞是如何把中子星「吃掉」的？
陸由俊：黑洞如何「吃掉」中子星依賴於黑洞的質量和自旋、中子星的質量及內部物態等物理參量。若黑洞的質量較小自旋較大，中子星在抵達黑洞附近時會被黑洞強大的潮汐力瓦解撕裂，大部分撕裂物質會被黑洞吸積吞噬，小部分物質會被拋射遠離黑洞。這一過程會產生較強的電磁輻射，從而被不同波段的望遠鏡觀測到。
若黑洞的質量較大且自旋較小，則中子星會直接旋進黑洞，不產生電磁信號，從而也無法被望遠鏡觀測到。黑洞-中子星併合電磁對應體探測將會提供獨立於引力波探測的有力手段，以揭示黑洞-中子星併合的物理過程，限制中子星內部物態和黑洞物理等。
藝術家繪製的黑洞吞食中子星的概念圖
圖片來源：Carl Knox, OzGrav ARC Centre of Excellence
Q：外界稱這是諾獎級發現，探測到黑洞-中子星併合有何重要意義？
陸由俊：毫無疑問，黑洞-中子星併合引力波事件的探測是繼首例黑洞-黑洞併合GW150914和雙中子星併合事件GW170817後的又一重大發現，其意義和影響深遠。
其一，該事件是人類首次探測到黑洞-中子星系統，證實了黑洞-中子星系統的存在；
其二，對該系統和未來更多的此類系統的研究將會持續發酵，全面提升對（雙）恆星結構和形成演化的理解，揭示它們在宇宙中的分布；
其三，結合引力波信號和電磁對應體的探測，此類系統提供了研究中子星結構和黑洞視界附近輻射過程、檢驗黑洞物理和引力理論等獨特的實驗室。遺憾的是，到目前為止還沒有任何有關此次事件的電磁對應體被探測到的消息。若此類系統的電磁對應體未來被探測到，則其將是繼GW170817電磁對應體國際大聯測後的又一次天文盛宴。
來源：中國科學院國家天文台
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