引力波发现的这五年引力波的发现 _发现

引力波的发现(引力波发现的五年)
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， LIGO和欧洲室女座引力波探测器相继发现了50个引力波信号。如今，引力波发现已经成为常态。在探测器运行过程中，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“时、分、秒” 。
稠密二进制归并系统的形成
LIGO和处女座发现的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英雄过程产生的。通常有两种可以形成Virgo处女座探测到的稠密双星合并系统。
之一种从包含两颗大质量恒星的双星系统开始，这两颗恒星经历了超新星爆发，产生了两个致密天体。这个过程的关键是，两体系统必须经受住两次超新星爆发而不被拆解，形成的两个致密天体之间的空间要足够近，引力波辐射才能驱动它们绕圈，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。球状星团就是这样的环境，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，由于质量大，体积小，黑洞可能会迅速沉入星团中心。接下来，黑洞经过一系列的两体、三体甚至多体相互作用，最终找到另一半(黑洞或中子星) 。
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，双黑洞合并事件占了绝大多数，双中子星合并2例，中子星-黑洞合并1例，另1例不清楚是两个黑洞合并还是中子星-黑洞合并。
在发现引力波之前， X射线双星观测发现的一些黑洞(如天鹅座X-1)的质量约为太阳的5至15倍。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。因为中子星和恒星黑洞是大质量恒星死亡的产物，所以这张图被戏称为“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找不到如此小质量黑洞的明显证据，一般认为中子星的质量小于太阳质量的3倍。另一方面，有一种理论认为，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，不会留下任何东西(包括黑洞) 。这种“不稳定性对超新星”的现象导致质量在太阳50到150倍之间的黑洞不存在。
原则上，分析几十个Virgo室女座黑洞的质量可以更好地确定黑洞的更大和最小质量。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”的质量间隙) ，合并形成了一个140倍太阳质量的“中等质量”黑洞(质量大于100倍太阳质量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”(即每个都是由两个较小的黑洞合并而成) ，在排除它们之后，发现更大黑洞质量约为太阳质量的52倍，这与“不稳定性对超新星”的理论预测基本一致。
图二。LIGO和处女座探测到的更大质量双黑洞合并事件GW190521 ，可能是两个“黑洞世代”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”可能是质量最小的黑洞，也可能是质量更大的中子星。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射线双星的观测一致) ，另一方面为中子星状态方程的研究提供了新的方向。

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