引力波的发现(引力波发现后的五年)
2016年2月11日，美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)宣布了本世纪以来人类最重要的科学发现之一:引力波 。这个被命名为GW150914的信号是由两个LIGO探测器在2015年9月14日记录的 。它起源于14亿光年外质量约为太阳30倍的两个黑洞的剧烈碰撞和合并 。
在过去的五年里，欧洲的LIGO和室女座引力波探测器先后发现了50个引力波信号 。如今 ， 引力波的发现已经成为常态 。探测器运行期间，基本上每周都有新的发现 。即使为了区分同一天探测到的多个事件，天文学家也必须在引力波信号名称的探测日期后加上“分和秒” 。
紧凑二元系统的形成
LIGO和室女座发现的50个信号都来自两个致密天体的旋转和合并 。这种致密天体，中子星或黑洞 ， 是大质量恒星生命最后时刻超新星爆发的壮烈过程产生的 。为了形成Virgo处女座探测到的致密双星系统，通常有两种方法 。
第一种方法从两颗大质量恒星的双星系统出发，这两颗恒星先后经历超新星爆发产生两个致密天体 。这个过程的关键是，两体系统必须经受两次超新星爆发而不被分离，形成的两个致密天体之间的距离必须足够近，以便引力波的辐射能够驱动它们绕圈，直到它们最终合并 。
第二种方式发生在包含大量致密天体的致密星团中 。在这种“拥挤”的环境中，两个原本不相关的致密天体可能会随机相遇并形成一对 。球状星团就是这样一个环境 。其中心区域的恒星密度非常高，两颗恒星之间的距离可能只有一个太阳系的尺度 。当星团中的大质量恒星率先形成黑洞时，这个黑洞可能会因为质量大体积小而迅速沉入星团中心 。接下来黑洞经历一系列的二体、三体甚至多体相互作用 ， 最终找到另一半(黑洞或者中子星) 。
黑洞和中子星的质量和旋转 。
黑洞或中子星的质量和自旋可以从引力波的观测中推断出来 。目前Virgo处女座探测到的50个信号中，双黑洞并合事件占绝大多数 ， 双中子星并合2例 ， 中子星-黑洞并合1例，另1例尚不清楚是两个黑洞并合还是中子星-黑洞并合 。
在发现引力波之前，通过对X射线双星(如天鹅座X-1)的观测发现的一些黑洞，其质量在太阳的5到15倍之间 。因此，5年前发表的GW150914显示，合并的两个黑洞达到了太阳质量的30倍 ， 这让许多天文学家感到惊讶 。
图一 。已知中子星和恒星黑洞的质量分布 。蓝色和橙色代表引力波观测，紫色和黄色代表电磁波观测 。因为中子星和星级黑洞都是大质量恒星死亡的产物 ， 所以这张图被称为“恒星墓地”上的质量分布 。
关于恒星黑洞有两个所谓的“质量间隙” 。在太阳质量的3到5倍之间，在电磁波截面的观测中并没有明显的证据表明存在如此小质量的黑洞，一般认为中子星的质量不超过太阳质量的3倍 。另一方面 ， 一些理论认为，一些超大质量恒星(约为太阳质量的130至250倍)由于内核中正负电子对的产生，导致了剧烈而不稳定的热核爆炸 。这个过程可以彻底摧毁恒星，什么都不留下(包括黑洞) 。这种“不稳定性对超新星”的现象导致了质量在太阳50到150倍之间的黑洞的消失 。
原则上，分析几十个Virgo室女座黑洞的质量可以确定黑洞的最大和最小质量 。然而，有两个特殊事件让天文学家感到尴尬:GW190521和GW190814 。
首先，GW190521的两个合并黑洞分别达到了太阳质量的85倍和66倍(位于“不稳定对超新星”质量间隙)，合并形成了一个140倍太阳质量的“中等质量”黑洞(质量大于太阳质量100倍但小于星系中心的超大质量黑洞) 。如果GW190521的两个黑洞是所谓的“第二代黑洞”(即分别由两个较小的黑洞合并而成)，排除后发现最大黑洞质量约为太阳质量的52倍，基本符合“不稳定性对超新星”的理论预测 。
2.LIGO和处女座探测到的最大质量双黑洞合并事件GW190521，可能是两个“黑洞二代”之间的合并(来源:LIGO/加州理工/麻省理工/R .赫特)
其次，GW190814的两个合并天体分别是太阳质量的23倍和2.6倍 ， 其中“小的那个”可能是最小的黑洞 ， 也可能是最大的中子星 。这两种可能性都给目前对中子星和黑洞的认识带来了挑战 。如果真的是黑洞 ， 那么3到5倍黑洞的质量差距将不复存在 。如果是中子星，一方面引力波测得的最小黑洞质量约为太阳质量的6倍(与X射线双星观测一致)，另一方面为中子星状态方程的研究提供了新的方向 。
利用引力波测量致密天体的自旋，虽然不如质量测量精确，但仍然可以提供一些有趣的信息 。简单来说 ， 致密双星是由孤立的大质量双星演化而来的 。两个天体的自旋垂直于双星的轨道平面(也叫“自旋排列”)；但在动态演化形成的致密双星团中，两个天体的自旋方向可能是完全随机的 。
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