LIGO天文台若观测到合并中子星需要知道的五个真相

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-09-04 10:11:05 | 作者:叶倾城 | 来源:新浪科技 | 浏览:905次 ]

  如图所示,这是一对中子星系统合并时喷射的重力波,中心区域(图中密集区域)被拉伸了5倍,具有较好的可见度。

  虽然黑洞存在吸积盘,黑洞之间合并产生的电磁信号是无法探测到的。如果存在一个电磁结构,那么这应当是由中子星产生的。

在两颗中子星旋转合并状态中,将释放大量的能量,以及重元素,重力波和一种电磁信号。

合并中子星真的会产生伽马射线暴吗?

新浪科技讯 北京时间9月4日消息,据国外媒体报道,如果广义相对论和牛顿引力之间存在重大差异,那么在爱因斯坦的理论中,没有什么是永恒不变的。即使轨道上两颗彼此环绕的完美稳定质量天体,它们的质量不会燃烧,不会损耗,或者以其它方式进行改变,它们的轨道仍将最终衰变。

然而,在牛顿引力概念中,两颗质量天体将永远轨道环绕它们的共同引力中心。广义相对论告诉我们,当一颗质量天体受引力场作用加速穿过时,每一时刻都有微小的能量损耗,能量并未消失,而是以重力波的形式被带走。在足够长的时间内,足够的能量被辐射,两个轨道运行质量天体将接触和合并。目前,激光干涉重力波天文台(LIGO)能够观测到该现象发生在黑洞,但该天文台可能获得新的突破,下一步将首次观测到中子星合并过程。

任何宇宙物质被“引力之舞”俘获,将释放出重力波,导致它们的轨道逐渐衰变。激光干涉重力波天文台(LIGO)能够探测到黑洞合并的原因有三个:一是黑洞质量超级大;二是黑洞是宇宙最致密天体;三是在最终合并阶段,它们的轨道能够被激光干涉重力波天文台的激光臂探测到。

较大质量、短距离和正确的频率范围,这些因素结合在一起,可使激光干涉重力波天文台研究小组对较大宇宙区域进行搜索,观测到令科学家们感兴趣的黑洞合并现象。距离地球数十亿光年之遥,科学家仍能探测到黑洞合并产生的涟漪。

宇宙中还有许多其它有趣的天体能够制造出较大等级的重力波,星系中心的超大质量黑洞能够吞噬气体云、行星、小行星,甚至是其它恒星和黑洞。然而,由于黑洞视界非常大,LIGO天文台轨道运行需要太长时间,以至于在错误频率范围内观测黑洞,白矮星、双星和其它行星系统也存在类似的问题:这些天体的物理尺寸太大,因此需要很长的时间轨道环绕。事实上,我们需要一个像LISA一样的太空重力波探测器,但是LIGO天文台带来另一个希望,它能够在正确的频率范围内观测到超大质量致密天体,记录中子星如何合并。

当中子星发生碰撞,其多少质量不会成为黑洞?

LIGO天文台能观测到多远距离的合并中子星?

合并中子星残留的余辉是怎样的呢?

 图中是两颗正在合并状态中的中子星,它们应当产生非常特殊的重力波信号,但是它们合并的时候也会产生独特和可辨识的电磁辐射。

中子星的质量可能不及黑洞,但是它们的质量可能是太阳质量的2-3倍,它们几乎和黑洞一样紧凑,半径大约10公里左右。即使黑洞坍缩成一个奇点,它仍存在黑洞视界,一颗中子星体积远大于黑洞视界尺寸,同时,它们的频率,尤其是中子星合并最后几秒的阶段,很容易被LIGO天文台探测到。如果在一个正确的宇宙区域出现中子星合并现象,我们需要注意中子星合并过程的五个事实:

1、合并中子星真的会产生伽马射线暴吗?这是一个令人难以置信的想法:短暂的伽马射线暴,能量非常充沛,但仅能持续不足两秒时间,伽马射线暴是中子星合并时产生的。它们出现于不诞生新恒星的古老星系区域,暗示只有“恒星尸体”才能解释,但是迄今为止,我们知道何种因素导致了短暂的伽马射电暴,却无法确定其产生主要原因。如果LIGO天文台能够探测在重力波中一对正在合并的中子星,我们将随后立即探测到短暂的伽马射线暴,这可以最终验证和确认天体物理学中最有趣的观点。

2、当中子星发生碰撞,其多少质量不会成为黑洞?当你观察元素周期表中较重的元素,会置疑它们是如何制造出来的,你可能认为答案是“超新星”,毕竟这通常是天文学家所讲述的故事,而且部分是真实的。元素周期表中多数最重元素,例如:汞、金、钨、铅等,它们实际上是由中子星碰撞产生的。它们的多数质量,大约90-95%,将在其中心形成一个黑洞,但剩下的外层部分将喷射,形成星系中的绝大多数元素。如果两个合并中子星的合并质量低于一个临界值,它将形成一个中心中子星,而不是一个黑洞,这是非常罕见的现象,但不是不可能发生。在中子星发生碰撞的过程中,究竟有多少质量被喷射?如果LIGO天文台能探测到该事件,就能揭开其中的答案。

3、LIGO天文台能观测到多远距离的合并中子星?这并不是一个关于宇宙自身的问题,而是关于LIGO天文台设计灵敏度的问题,对于光线来讲,如果一个物体距离10倍远,那么它的亮度只有百分之一;但对于重力波,一个天体保持10倍距离,其重力波信号仍保持十分之一的强度。LIGO天文台能探测到数百万光年距离之内的黑洞,但是合并状态的中子星只有在最邻近的星系簇中才能发现,如果我们能够观测到合并中子星,就能真实知道我们的勘测设备有多好,以及未来需要怎样的勘测设备。

4、合并中子星残留的余辉是怎样的呢?我们知道,在少数情况下,会发生中子星强烈碰撞事件,有时,该现象会在其它电磁带留下一些信号迹象。不仅会残留正常出现的伽马射线,还有紫外线、红外线或者射电等。很可能合并中子星残留的余辉中还会有多光谱物质,如果合并中子星处于LIGO天文台观测范围之内,那么我们有很好的机会在地面上观测到宇宙中这种最独特的天文现象。

5、我们首次将引力波天文学与(光基础)传统天文学结合在一起。之前LIGO天文台观测的现象是非常壮观的,但是没有办法通过望远镜观测合并中子星。合并中子星的宇宙位置不能仅由两种勘测方式的其中一种精确测量,甚至从原则上讲,黑洞合并并不认为存在一个明亮的电磁结构(光基础)。目前,VIRGO探测器正在操作之中,并与两个双胞胎LIGO探测器同步运行,从而使我们能够对空间重力波事件发生的地点做出更准确的决定。但更重要的是,因为中子星的合并应当存在一个电磁结构,这可能是第一次重力波天文学和传统天文学结合在一起用于观测宇宙中同一天文事件。

目前,我们已进入一个崭新的天文学时代,我们不仅使用望远镜,而且还有干涉仪,同叶,我们不仅只勘测光线,而且还有重力波,来观测和理解宇宙空间。如果LIGO天文台能够观测到合并状态的中子星,即使该事件非常罕见,探测概率非常低,这仍意味着我们将跨越下一个探索前沿。宇宙中的重力现象和光基础现象将不再陌生,相反,我们将更进一步地了解宇宙最极端的天体如何精确工作,同时,我们将有一扇窗户进入我们的宇宙,这是人类以前从未有过的。(叶倾城)

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