科学家们探测到了中子星与潜在黑洞在质量缝隙中碰撞产生的引力波

科学家们探测到了中子星与潜在黑洞在质量缝隙中碰撞产生的引力波 低质量间隙黑洞（深灰色表面）与中子星的凝聚与合并，颜色从深蓝色（每立方厘米 60 克）到白色（每立方厘米 600 千克）不等，凸显了中子星低密度物质的强烈变形。资料来源：I. Markin（波茨坦大学）、T. Dietrich（波茨坦大学和马克斯-普朗克引力物理研究所）、H. Pfeiffer、A. Buonanno（马克斯-普朗克引力物理研究所）。2023 年 5 月，就在 LIGO-Virgo-KAGRA 第四次观测运行开始后不久，位于美国路易斯安那州的 LIGO 利文斯顿探测器观测到了一个引力波信号，该信号来自于很可能是一颗中子星与一个质量为太阳 2.5 至 4.5 倍的紧凑天体的碰撞。中子星和黑洞都是紧凑型天体，是大质量恒星爆炸后的致密残余物。这个名为 GW230529 的信号之所以引人入胜，是因为它的质量较大。它处于已知最重的中子星和最轻的黑洞之间可能存在的质量差距之内。引力波信号本身并不能揭示这个天体的性质。未来对类似事件的探测，特别是那些伴随着电磁辐射爆发的事件，可能有助于解决这个问题。不列颠哥伦比亚大学助理教授、LIGO 科学合作组织副发言人杰斯-麦基弗博士（Dr. Jess McIver）说："这次探测是我们从第四次 LIGO-Virgo-KAGRA 观测运行中获得的第一个令人兴奋的结果，它揭示了中子星和低质量黑洞之间的类似碰撞的发生率可能比我们之前想象的要高。"由于只有一个引力波探测器看到了这一事件，因此评估它是否真实变得更加困难。这幅图像显示了低质量间隙黑洞（深灰色表面）与中子星的合并，颜色从深橙色（每立方厘米 100 万吨）到白色（每立方厘米 6 亿吨）不等。引力波信号用一组正偏振的应变振幅值表示，颜色从深蓝色到青色不等。资料来源：I. Markin（波茨坦大学）、T. Dietrich（波茨坦大学和马克斯-普朗克引力物理研究所）、H. Pfeiffer、A. Buonanno（马克斯-普朗克引力物理研究所）。检测技术的进步ICG 的研究软件工程师 Gareth Cabourn Davies 博士开发了用于在单个探测器中搜索事件的工具。他说"通过在多个探测器中看到事件来证实事件是我们从噪声中分离信号的最强大工具之一。通过使用适当的背景噪声模型，即使在没有其他探测器支持我们所看到的情况下，我们也能判断出一个事件"。在2015年探测到引力波之前，恒星质量黑洞的质量主要是通过X射线观测发现的，而中子星的质量则是通过无线电观测发现的。由此得出的测量结果分为两个截然不同的范围，两者之间的差距约为太阳质量的 2 到 5 倍。多年来，有少量测量结果蚕食了这一质量差距，天体物理学家对此仍有很大争议。最新研究结果的影响对 GW230529 信号的分析表明，它来自两个紧凑型天体的合并，其中一个天体的质量是太阳质量的 1.2 到 2.0 倍，另一个天体的质量是太阳质量的两倍多一点。虽然引力波信号没有提供足够的信息来确定这些紧凑的天体是中子星还是黑洞，但看起来较轻的天体很可能是中子星，而较重的天体则是黑洞。LIGO-Virgo-KAGRA合作组织的科学家们确信，较重的天体就在质量差距之内。引力波观测现在已经提供了近 200 个紧凑天体质量的测量值。其中，只有一次并合可能涉及质量鸿沟紧凑天体GW190814 信号来自黑洞与一个紧凑天体的并合，该天体的质量超过了已知最重的中子星，而且可能在质量鸿沟之内。来自美国西北大学的 Sylvia Biscoveanu 博士说："虽然之前已经报道过引力波和电磁波中存在质量间隙天体的证据，但这个系统尤其令人兴奋，因为它是首次引力波探测到与中子星配对的质量间隙天体。对这一系统的观测对双星演化理论和紧凑天体合并的电磁对应理论都有重要意义"。正在进行和未来的观察第四次观测运行计划持续 20 个月，其中包括几个月的间歇期，以便对探测器进行维护并进行一些必要的改进。截至 2024 年 1 月 16 日，也就是当前的间歇期开始时，总共发现了 81 个重要的候选信号。GW230529 是经过详细调查后公布的第一个候选信号。第四次观测运行将于 2024 年 4 月 10 日恢复，LIGO Hanford、LIGO Livingston 和 Virgo 探测器将同时运行。观测运行将持续到 2025 年 2 月，不会再有中断观测的计划。在观测运行继续进行的同时，LIGO-Virgo-KAGRA 的研究人员正在分析运行前半段的数据，并检查已经确定的其余 80 个重要候选信号。到 2025 年 2 月第四次观测运行结束时，观测到的引力波信号总数将超过 200 个。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员用更快的引力波探测技术揭示宇宙奥秘 反应时间仅需30秒

研究人员用更快的引力波探测技术揭示宇宙奥秘 反应时间仅需30秒 这项研究的目标是在探测到中子星和黑洞后 30 秒内向天文学家和天体物理学家发出警报，帮助人们更好地了解中子星和黑洞，以及包括金和铀在内的重元素是如何产生的。这些研究成果最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，这是一份经同行评审、开放获取的科学杂志。引力波与时空的相互作用是在一个方向上压缩时空，而在垂直方向上拉伸时空。这就是为什么目前最先进的引力波探测器是 L 型的，并使用干涉测量法测量激光的相对长度，干涉测量法是一种观察两个光源结合产生的干涉图案的测量方法。探测引力波需要精确测量激光的长度：相当于测量距离最近的恒星（约四光年）的距离，精确到一根头发丝的宽度。该图显示了研究人员发出警报所需的时间，平均不到 30 秒。图片来源：安德鲁-托伊沃宁这项研究是全球引力波干涉仪网络LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 协作的一部分。在最新的模拟活动中，使用了以前观测时段的数据，并添加了模拟引力波信号，以显示软件和设备升级的性能。该软件可以检测信号的形状，跟踪信号的表现，并估计事件中包括哪些质量，如中子星或黑洞。中子星是已知存在的最小、密度最大的恒星，是大质量恒星在超新星中爆炸时形成的。一旦该软件探测到引力波信号，它就会向用户（通常包括天文学家或天体物理学家）发送警报，告知信号在天空中的位置。随着这一观测时段的升级，科学家们能够在探测到引力波后更快地发送警报，时间不超过 30 秒。"有了这个软件，我们就能探测到中子星碰撞产生的引力波，这种引力波通常太微弱，除非我们知道确切的观测位置，否则是无法看到的，"明尼苏达大学双城分校物理与天文学院博士生安德鲁-托伊沃宁（Andrew Toivonen）说。"首先探测到引力波将有助于确定碰撞的位置，帮助天文学家和天体物理学家完成进一步的研究"。天文学家和天体物理学家可以利用这些信息来了解中子星的行为方式，研究中子星和黑洞碰撞时的核反应，以及包括金和铀在内的重元素是如何产生的。这是使用激光干涉仪引力波天文台（LIGO）进行的第四次观测，它将一直观测到 2025 年 2 月。在前三次观测期间，科学家们对信号的探测进行了改进。本次观测结束后，研究人员将继续查看数据并做出进一步改进，目标是更快地发出警报。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家发现中子星环绕“不应该存在”的神秘天体运行

天文学家发现中子星环绕“不应该存在”的神秘天体运行 艺术家眼中的神秘双星系统 MPIfR; Daniëlle Futselaar ()天文学家利用南非的 MeerKAT 射电望远镜，在哥伦布星座一个名为 NGC 1851 的球状星团中发现了一颗脉冲星，从而揭开了这个谜团。脉冲星是一种具有强磁场的中子星，它产生的无线电波像灯塔的光束一样向四周扫射。当这些电波锥碰巧面向地球时，我们就会看到它们在有规律地跳动，脉冲星也因此而得名。天文学家利用南非的 MeerKAT 射电望远镜，在哥伦布星座一个名为 NGC 1851 的球状星团中发现了一颗脉冲星，从而揭开了这个谜团。脉冲星是一种具有强磁场的中子星，它产生的无线电波像灯塔的光束一样向四周扫射。当这些电波锥碰巧面向地球时，我们就会看到它们在有规律地跳动，脉冲星也因此而得名。由于这些信号是如此稳定和可预测，天文学家可以研究它们的时间，并计算出有关其周围环境的惊人信息量。在这种情况下，他们发现这颗脉冲星与另一个天体一起运行这时事情开始变得诡异起来。"当我们查看NGC 1851的哈勃图像时，我们在那个位置什么也没看到，"该研究的合著者Prajwal Voraganti Padmanabh说。"因此，与脉冲星在轨道上运行的天体不是一颗正常的恒星，而是一颗坍缩恒星的密度极高的残余物。"众所周知，这些坍缩的恒星残骸有两种形式：要么是另一颗中子星，要么是一个黑洞。但有一个问题这个天体被发现质量太大，不可能是一颗中子星，但质量不够大，不可能是一个黑洞。根据模型，中子星总是小于大约两个太阳质量，而黑洞永远不会轻于大约五个太阳质量。对宇宙的观测也证明了这一点紧凑的天体总是属于其中一类。总之，直到现在。新发现的这个天体的质量大约是太阳质量的 2.1 到 2.7 倍，完全符合既定的"质量差距"。这意味着，它可能是已知最重的中子星，也可能是已知最轻的黑洞或许，完全是另一种东西。这项研究的合著者保罗-弗莱雷（Paulo Freire）说："不管这个天体是什么，这都是一个令人兴奋的消息。如果它是一个黑洞，这将是已知的第一个脉冲星/黑洞系统，几十年来这一直是脉冲星天文学的圣杯。如果它是一颗中子星，这将对我们理解物质在这种惊人密度下的未知状态产生根本性影响。"研究人员提出，这个奇怪的系统实际上是由之前的两个双星系统形成的。其中一个包含两颗中子星，它们相撞后合并成一个小于平均水平的黑洞。而另一个系统则包含一颗中子星，它与另一颗恒星的轨道很近，前者从后者身上汲取物质。这个过程在宇宙中很常见，它将角动量传递给中子星，使其变成一颗快速旋转的脉冲星。另一颗恒星则变成了被称为白矮星的死壳。最终，黑洞闯入了双星系统，三个天体的复杂运动导致白矮星被抛出。这就形成了今天看到的脉冲星/黑洞系统。这并不是在质量间隙中发现的第一个天体。2019 年，引力波探测器捕捉到了一个 23 个太阳质量的黑洞吞食2.6 个太阳质量物体的信号。由于这是在天体被摧毁后才发现的，我们只能从中了解到这么多。值得庆幸的是，NGC 1851 有一个活着的黑洞，我们可以继续研究它。这项研究的合著者阿鲁尼玛-杜塔（Arunima Dutta）说："我们对这个系统的研究还没有结束。揭开伴星的真实面目将是我们了解中子星、黑洞以及黑洞质量间隙中可能潜藏的其他东西的一个转折点！"这项研究发表在《科学》杂志上。下面的视频展示了该系统的拟议形成过程。 ... PC版： 手机版：

LISA引力波天文台星座获得欧空局批准建造

LISA引力波天文台星座获得欧空局批准建造 欧空局的激光干涉仪空间天线（LISA）任务将是第一个专门用于探测时空结构涟漪的天基观测站。这些涟漪我们称之为引力波，是在宇宙中一些最强大的事件中发出的，比如黑洞碰撞时。图片来源：欧空局LISA 不只是一个航天器，而是由三个航天器组成的星座。它们将在地球绕太阳运行的轨道上跟踪地球，在太空中形成一个精确的等边三角形。三角形的每条边将长达 250 万公里（是地月距离的六倍多），航天器将在这个距离上交换激光束。这三个航天器计划于 2035 年用阿丽亚娜 6 号火箭发射。在欧空局的领导下，欧空局、其成员国空间机构、美国国家航空航天局（NASA）和一个国际科学家联盟（LISA 联盟）通力合作，使LISA 成为可能。欧空局的 LISA 任务将捕捉并研究时空结构中的涟漪。这些涟漪我们称之为引力波，是在宇宙中一些最强大的事件中发出的。产生引力波的系统的一个例子是，一对黑洞绕着对方运行，并朝着碰撞的方向前进。它们巨大质量的加速度会震动时空结构并产生涟漪。图片来源：ESA / ATG Medialab就在一个多世纪前，爱因斯坦做出了革命性的预言：当大质量物体加速时，它们会震动时空结构，产生微小的涟漪，即引力波。由于现代技术的发展，我们现在能够探测到这些最难以捉摸的信号。"LISA是一项前所未有的尝试。地面仪器可以利用激光束在几千米的距离内探测到来自恒星大小天体事件的引力波，如超新星爆炸或超高密度恒星和恒星质量黑洞的合并。"LISA 项目首席科学家诺拉-吕茨根多夫（Nora Lützgendorf）解释说："要拓展引力研究的前沿领域，我们必须进入太空。由于激光信号在 LISA 上传播的距离非常远，而且其仪器具有极高的稳定性，我们将探测比地球上更低频率的引力波，揭示不同规模的事件，一直追溯到时间的黎明"。引力波是大质量天体（如黑洞聚集和合并）的加速度在时空中产生的涟漪。空间中的不同物体会产生不同时间尺度的引力波，从几毫秒到几十亿年不等。其中有些波只能从太空中观测到。图片来源：欧空局LISA 将在整个宇宙中探测星系中心的巨大黑洞碰撞时所产生的时空涟漪。这将使科学家们能够追溯这些畸形天体的起源，绘制它们如何成长为比太阳质量大数百万倍的天体，并确定它们在星系演化过程中扮演的角色。这项任务将捕捉到我们宇宙最初时刻预测的引力"响声"，让我们一窥宇宙大爆炸后的最初几秒钟。此外，由于引力波携带发射引力波的天体的距离信息，LISA 将帮助研究人员用一种不同于欧几里得和其他巡天所用技术的尺度来测量宇宙膨胀的变化，从而验证他们的结果。在我们银河系的更近处，LISA 将探测到许多合并的紧凑天体对，如白矮星或中子星，让我们对这些系统演变的最后阶段有一个独特的洞察力。通过精确定位它们的位置和距离，LISA 将在欧空局盖亚任务发现的基础上，进一步加深我们对银河系结构的了解。"几个世纪以来，我们一直在通过捕捉光线来研究我们的宇宙。将其与引力波的探测结合起来，为我们对宇宙的感知带来了一个全新的维度，"LISA 项目科学家奥利弗-詹里奇（Oliver Jennrich）说。"想象一下，迄今为止，我们的天体物理学任务就像无声电影一样观看宇宙，那么用 LISA 捕捉时空涟漪将真正改变游戏规则，就像给电影添加声音一样"。2015 年，LISA 探路者为即将到来的 LISA 任务测试了重要技术。技术演示的核心是两个固体金铂合金立方体。每个立方体都是一个边长为 4.6 厘米、重 1.96 千克的测试质量。图为其中一个立方体。LISA 任务的三个航天器将各承载两个这样的试验质量块。它们是自由浮动的，装在一个"电极外壳"内。当不同航天器中立方体之间的距离发生变化时，就能发现引力波。LISA 将通过在相邻的一对航天器之间交换激光束来跟踪这些变化。资料来源：欧空局为了探测引力波，LISA 将使用一对坚固的金铂立方体即所谓的测试质量（比魔方略小），自由漂浮在每个航天器中心的特殊外壳中。引力波将引起不同航天器中质量块之间距离的微小变化，该任务将使用激光干涉测量法跟踪这些变化。这项技术需要将激光束从一个航天器射向另一个航天器，然后将它们的信号叠加起来，以确定质量距离的变化，精度精确到几十亿分之一毫米。航天器的设计必须确保除了时空本身的几何形状之外没有任何东西会影响处于自由落体状态的质量运动。该航天器是继LISA 探路者号之后的又一个航天器，LISA 探路者号证明了有可能将自由落体中的试验质量保持在惊人的精确水平上。与欧空局的盖亚和欧几里得任务相同的精密推进系统将确保每个航天器以最高的精度保持所需的位置和方向。LISA 被选为欧空局"2015-2025 年宇宙愿景"的第三个大型任务，它将加入欧空局的宇宙观测器科学舰队，以解决该计划的两个核心问题：宇宙的基本物理定律是什么？宇宙是如何起源的？在这项探索中，LISA 将与欧空局目前正在研究的另一项大型飞行任务合作：新雅典娜（NewAthena）。新雅典娜的发射日期预计为 2037 年，它将成为有史以来最大的 X 射线天文台。欧空局领导着 LISA 任务，并将提供航天器、发射、任务运行和数据处理。关键的仪器元件包括：由意大利和瑞士提供的屏蔽外力的自由落体试验质量；由德国、英国、法国、荷兰、比利时、波兰和捷克共和国提供的用于探测干涉信号的皮米精度系统；以及由西班牙提供的科学诊断子系统（整个航天器的传感器库）。超稳定激光器、用于收集其光线的 30 厘米望远镜以及紫外线光源（用于给测试块放电）将由美国国家航空航天局提供。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家在NGC 1851星团中发现了一个难以被分类的天体系统

天文学家在NGC 1851星团中发现了一个难以被分类的天体系统 中子星是宇宙中密度最大的天体。它们像原子核一样紧凑，却又像一座城市一样大，突破了我们对极端物质理解的极限。中子星越重，就越有可能最终坍缩成为密度更大的物体：黑洞。假定大质量伴星是一个黑洞，该系统的艺术印象图。最亮的背景恒星是它的轨道伴星射电脉冲星 PSR J0514-4002E。两颗恒星相距 800 万公里，每 7 天绕对方一周。图片来源：Daniëlle Futselaar ()这些天体的密度如此之大，引力如此之强，以至于它们的核心无论它们是什么都被事件视界永久地遮蔽在宇宙之外：完全黑暗的表面，光线无法从中逃脱。如果我们要了解中子星和黑洞之间临界点的物理学，就必须找到处于这一边界的天体。特别是，我们必须找到可以进行长时间精确测量的天体。而这正是我们所发现的一个既不明显是中子星也不明显是黑洞的天体。哈勃太空望远镜拍摄的球状星团 NGC 1851 的图像。图片来源：NASA、ESA 和 G. Piotto（帕多瓦大学）；处理：Gladys Kober（NASA/美国天主教大学）：Gladys Kober（美国国家航空航天局/美国天主教大学）当天文学家在星团NGC 1851的深处观察时，发现了一对特别的系统，这为我们了解宇宙中的极端物质提供了新的视角。这个系统由一颗毫秒脉冲星（一种快速旋转的中子星，它在旋转过程中会向整个宇宙发出无线电光束）和一个性质不明的巨大隐蔽物体组成。这个大质量天体是暗的，也就是说，从无线电到光学、X 射线和伽马射线波段，所有频率的光都看不到它。在其他情况下，这将使它无法被研究，但就在这里，毫秒脉冲星为我们提供了帮助。毫秒脉冲星类似于宇宙原子钟。它们的自旋非常稳定，可以通过探测它们产生的有规律的无线电脉冲进行精确测量。虽然脉冲星本质上是稳定的，但当脉冲星运动或其信号受到强引力场影响时，观测到的自旋会发生变化。通过观察这些变化，我们可以测量与脉冲星在轨道上运行的天体的特性。研究小组使用了位于南非卡鲁半沙漠的 MeerKAT 射电望远镜。图片来源：SARAO国际天文学家团队一直在使用南非的MeerKAT 射电望远镜对这个被称为 NGC 1851E 的星系进行观测。通过这些数据，我们可以精确地了解两个天体的轨道细节，显示出它们的最接近点会随着时间的推移而发生变化。爱因斯坦的相对论描述了这种变化，而变化的速度可以告诉我们系统中天体的总质量。观测结果表明，NGC 1851E 系统的重量几乎是太阳的四倍，暗伴星和脉冲星一样，是一个紧凑的天体比普通恒星的密度大得多。质量最大的中子星重约两个太阳质量，因此如果这是一个双中子星系统（众所周知并被研究过的系统），那么它就必须包含两颗迄今发现的最重的中子星。为了揭示伴星的性质，我们需要了解恒星系统中的质量是如何在恒星之间分配的。同样利用爱因斯坦的广义相对论，我们可以建立该系统的详细模型，发现伴星的质量介于太阳质量的 2.09 和 2.71 倍之间。这颗伴星的质量位于"黑洞质量鸿沟"之内。"黑洞质量鸿沟"介于最重的中子星和最轻的黑洞之间，前者被认为约为2.2个太阳质量，后者则是由恒星坍缩形成的，约为5个太阳质量。这一鸿沟中的天体的性质和形成是天体物理学中一个悬而未决的问题。那么，我们到底发现了什么呢？射电脉冲星 NGC 1851E 及其奇异伴星的潜在形成历史。资料来源：Thomas Tauris（奥尔堡大学 / MPIfR）一个诱人的可能性是，我们发现了一颗脉冲星，它正围绕着两颗中子星合并（碰撞）后的残骸运行。NGC 1851中恒星的密集排列使得这种不寻常的构造成为可能。在这个拥挤的恒星舞池中，恒星们将相互旋转，在无尽的华尔兹中交换舞伴。如果两颗中子星碰巧被抛得太近，它们的舞蹈就会以灾难性的方式结束。它们碰撞产生的黑洞可能比恒星坍缩产生的黑洞轻得多，因此黑洞可以在星团中自由游荡，直到找到华尔兹舞中的另一对舞者，然后毫不客气地插入其中在这一过程中将较轻的舞伴踢走。正是这种碰撞和交换机制，才有可能产生我们今天观察到的系统。对这个系统的研究还没有结束。我们的工作还在继续，以便最终确定伴星的真实性质，并揭示我们发现的是最轻的黑洞还是质量最大的中子星，或者两者都不是。在中子星和黑洞之间的边界，总是有可能存在一些新的、尚不为人知的天体物理天体。这一发现肯定会引起许多猜测，但已经明确的是，这一系统在了解宇宙中最极端环境下物质的真实情况方面有着巨大的前景。撰稿人：Ewan D. Barr - 马克斯-普朗克射电天文学研究所瞬态和脉冲星与 MeerKAT (TRAPUM) 合作项目科学家Arunima Dutta - 马克斯-普朗克射电天文学研究所射电天文学基础物理学研究部博士生本杰明-斯塔珀斯曼彻斯特大学天体物理学教授改编自最初发表在《对话》上的一篇文章。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

云南天文台双中子星研究领域取得新进展

云南天文台双中子星研究领域取得新进展 双中子星系统示意图。图片来源：云南天文台南京大学郭云浪博士与中国科学院云南天文台王博研究员等人，对形成双中子星系统的电子俘获超新星通道作了系统研究，给出了该通道下形成双中子星系统的初始参数空间，发现该参数空间中的氦星伴星质量和最小初始轨道周期，随着金属丰度的增加而增加。同时，通过考虑氦星伴星在塌缩成中子星时受到的反冲速度，研究了该通道下形成双中子星系统的特征。他们发现小于50公里每秒的低反冲速度，能够解释观测上大多数的双中子星系统特征。此外，通过考虑氦星表面的残留氢包层，该团队还发现中子星在双星演化过程中能够从伴星上吸积更多的物质，从而达到更快的转速。 ... PC版： 手机版：