LIGO-处女座引力波天文台发现“质量差距”中的神秘天文物体

2019年8月，LIGO-处女座引力波网络目睹了一个黑洞的合并，该黑洞的质量是太阳质量的23倍，而一个神秘物体是太阳质量的2.6倍。科学家们不知道这个神秘物体是中子星还是黑洞，但是无论哪种方式，它都创下了已知的最重中子星或最轻的黑洞的记录。

物体位于已知最重的中子星和已知最轻的黑洞之间。

包括西北大学天文学家在内的国际研究合作已经在令人费解的区域内发现了一个神秘物体，称为“质量间隙”。质量间隙位于已知最重的中子星和已知最轻的黑洞之间。这一发现对天体物理学和对低质量致密物体的理解具有重要意义。

当最大质量的恒星死亡时，它们在自身的重力作用下坍塌并留下黑洞。当质量略小于此质量的恒星死亡时，它们会在超新星中爆炸，并留下密集的，死角的恒星残骸，称为中子星。已知最重的中子星不超过我们太阳质量的2.5倍，即不超过2.5太阳质量，而已知最轻的黑洞约为5太阳质量。几十年来，天文学家一直想知道：这个质量差距中是否有任何物体？

现在，在美国国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和欧洲处女座天文台的一项新研究中，科学家宣布发现了2.6太阳质量的天体，并将其牢固地置于质量缺口中。

2019年8月，LIGO-处女座引力波网络目睹了一个黑洞的合并，该黑洞的质量是太阳质量的23倍，而一个神秘物体是太阳质量的2.6倍。科学家们不知道该神秘物体是中子星还是黑洞，但是无论哪种方式，它都创下了已知的最重中子星或最轻的黑洞的记录。

有趣的物体于2019年8月14日被发现，它与23个太阳质量的黑洞合并，产生了LIGO和处女座在地球上发现的引力波飞溅。天体物理学杂志快报（The Astrophysical Journal Letters）今天（2020年6月23日）发表了有关检测的论文。

美国西北航空的维琪·卡洛格拉（Vicky Kalogera）说：“混合性质的合并物-黑洞和中子星-已经被预测了数十年，但是质量间隙中的这种紧凑物体实在让人感到意外。”“我们确实在推动我们对低质量紧凑型物体的了解。即使无法凭信念对物体进行分类，我们也看到过已知最重的中子星或已知最轻的黑洞。无论哪种方式，它都打破了记录。”

Kalogera是LIGO科学合作组织（LSC）的领先天体物理学家，是紧凑型物体二进制的天体物理学和重力波数据分析的专家。她是西北Weinberg文理学院的Daniel I. Linzer杰出物理和天文学大学教授兼CIERA（天体物理学跨学科探索和研究中心）主任。

“尽管我们不确定低质量紧凑物体的性质，但我们已经获得了非常可靠的质量度量，该质量恰好属于所谓的质量差距，”该论文的合著者马里奥·斯佩拉（Mario Spera）说。谁研究合并二进制文件的形成的论文。他是处女座的合作成员，也是CIERA和帕多瓦大学的欧盟玛丽居里博士后研究员。

Spera说：“这一令人兴奋的前所未有的发现，加上合并事件独特的质量比率，对所有试图阐明事件起源的天体物理模型提出了挑战。”“但是，我们非常确定，宇宙已经在无数次告诉我们，关于紧凑对象如何形成，演化和合并的想法仍然非常模糊。”

此图显示了通过电磁观测（紫色）检测到的黑洞的质量（紫色），通过重力波观测（蓝色）测量的黑洞的质量，通过电磁观测（黄色）测量的中子星和通过重力波检测的中子星（橙色） ）。GW190814在图形的中间突出显示为黑洞和神秘物体的合并，其质量约为太阳质量的2.6倍。

研究中描述的宇宙合并是一个被称为GW190814的事件，最终导致了一个黑洞，大约是太阳质量的25倍。（一些合并的质量被转换为引力波形式的能量冲击波）。新近形成的黑洞距离地球约8亿光年。

在两个物体合并之前，它们的质量相差九倍，使之成为万有引力波事件中已知的最极端质量比。最近报道的另一个LIGO-Virgo事件称为GW190412，发生在两个黑洞之间，质量比约为4：1。

除了Kalogera和Spera，其他参与研究的西北研究人员是Chase Kimball，Christopher Berry和Mike Zevin。这三位是本文的作者和CIERA的成员。

天文学博士金博尔（Kimball）学生和LSC成员，评估了GW190814等合并在宇宙中发生的频率.CIERA访客研究教授贝瑞（Berry）是所有LSC出版物的LSC编辑委员会成员，并担任此项研究的首席代表。天文学博士学生和LSC成员，为天体的解释做出了贡献，也为GW190412发现论文的撰写做出了贡献。

Kalogera说：“对于目前的理论模型而言，要形成这样一对具有极高质量比的紧凑物体的合并是一个挑战，其中低质量伙伴位于质量间隙中，”“这项发现意味着这些事件的发生频率比我们预期的要高得多，这使它成为一个真正吸引人的低质量物体。

她说：“神秘物体可能是一颗中子星与一个黑洞合并，这在理论上是令人期待的，但在观察上尚未得到证实。”“但是，它的质量是我们太阳质量的2.6倍，超过了现代对中子星最大质量的预测，它可能是有史以来最轻的黑洞。”

“无论该物体是重中子星还是浅黑洞，这一发现都是新型二元合并中的第一个，” Kimball补充说。“二元人口模型必须考虑到我们现在可以推断出这类事件发生的频率。”

当LIGO和处女座的科学家发现这一合并时，他们立即向天文界发出了警报。跟踪了数十个地基和天基望远镜，以搜寻事件中产生的光波，但没有一个接收到任何信号。

到目前为止，在称为GW170817的事件中，仅能见到过这种与重力波信号对应的光。该事件由LIGO-Virgo网络于2017年8月发现，涉及两个中子星之间的激烈碰撞，随后由地球和太空中的数十个望远镜见证。中子星碰撞是一团乱七八糟的事情，物质朝四面八方抛出，因此有望发出光。相反，在大多数情况下，人们认为黑洞合并不会带来光明。

根据LIGO和处女座的科学家所说，由于一些可能的原因，没有在2019年8月的活动中看到它。首先，此事件距离2017年的合并交易相距六倍，因此更难拾取任何光信号。其次，如果碰撞涉及两个黑洞，则可能不会有任何光亮。第三，如果该物体实际上是中子星，那么它的质量是黑洞伴侣的9倍，则可能将其全部吞没了。一个被黑洞完全消耗掉的中子星不会发出任何光。

“我认为吃豆人会吃一点点，” Kalogera说。“当物体高度不对称时，较小的紧凑物体可以一口被黑洞吞噬。”

研究人员如何知道神秘物体是中子星还是黑洞？利用LIGO和可能的其他望远镜进行的未来观测可能会捕捉到类似的事件，这将有助于揭示质量差距中是否还存在其他物体。

美国国家科学基金会（NSF）引力物理学程序主任佩德罗·马罗内蒂（Pedro Marronetti）说：“几十年来，质量差距一直是一个有趣的难题，现在我们已经检测到一个恰好适合它的物体。”“在不违背我们对极致密物质或我们对恒星演化的了解的前提下，这是无法解释的。这一观察又是引力波天文学领域具有变革潜力的又一个例子，每一次引力波都带来了新颖的见解。新发现。”

《天体物理学杂志快报》的论文标题为“ GW190814：23 M黑洞与2.6 M紧凑物体合并产生的引力波。”

有关此研究的更多信息：

参考：“ GW190814：由23个太阳质量黑洞与2.6个太阳质量致密物体合并而成的引力波”，作者：R。Abbott，TD Abbott，S。Abraham，F。Acernese，K。Ackley，C。Adams，RX Adhikari，VB Adya， C.Affeldt，M.Agathos，K.Agatsuma，N.Aggarwal，OD Aguiar，A.Aich，L.Aiello，A.Ain，P.Ajith，S.Akcay，G.Allen，A.Allocca，PA Altin， A.Amato，S.Anand，A.Ananyeva，SB Anderson，WG Anderson，SV Angelova，S.Ansoldi，S.Antier，S.Appert，K.Arai，MC Araya，JS Areeda，M.Arène，N.Arnaud ，SM Aronson，KG Arun，Y。Asali，S。Ascenzi，G。Ashton，SM Aston，P。Astone，F。Aubin，P。Aufmuth，K。AultONeal，C。Austin，V。Avendano，S。Babak， P.培根，F.Badaracco，MKM Bader，S.Bae，AM Baer，J.Baird，F.Baldaccini，G.Balladin，SW鲍尔默，A.Bals，A.Balsamo，G.Baltus，S.Banagiri，D 。Bankar，RS Bankar，JC Barayoga，C。Barbieri，BC Barish，D.Barker，K.Barkett，P.Barneo，F.Barone，B.Barr，L.Barsotti，M.Barsuglia和D.Barta J. Bartlett，I。Bartos，R。Bassiri，A。Basti，M。Bawaj，JC Bayley，M。Bazzan，B.Bécsy，M。Bejger，I。Belahcene，AS Bell，D.Beniwal，MG Benjamin， R. 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Cohadon，D.Cohen，M.Colleoni，CG Collette，C.Collins，M.Collpi，M.Constancio Jr.，L.Conti，SJ Cooper，P.Corban，TR Corbitt，I.Cordero-Carrión，S.Corezzi ，KR Corley，N. Cornish，D. Corre，A. Corsi，S. Cortese，CA Costa，R. Cotesta，MW Coughlin，SB Coughlin，J.-P。库伦（S.T. Countryman），库瓦雷斯（P. Cudell，TJ Cullen，A.Cumming，R.Cummings，L.Cunningham，E.Cuoco，M.Curylo，T.Dal Canton，G.Dálya，A.Dana，LM Daneshgaran-Bajastani，B.D'Angelo，SL Danilishin，S.D'Antonio，K.Danzmann，C.Darsow-Fromm，A.Dasgupta，LEH Datrier，V.Dattilo，I.Dave，M.Davier，GS Davies，D.Davis，EJ Daw，D.DeBra ，M. Deenadayalan，J. Degallaix，M. De Laurentis，S.Deléglise，M. Delfavero，N. De Lillo，W. Del Pozzo，LM DeMarchi，V.D'Emilio，N. Demos，T. 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Tse，R。Tso，L。Tsukada，D。Tsuna，T。Tsutsui，M。Turconi， AS Ubhi，K.Ueno，D.Ugolini，CS Unnikrishnan，AL Urban，SA Usman，AC Utina，H.Vahlbruch，G.Vajente，G.Valdes，M.Valentini，N.van Bakel，M.van Beuzekom，JFJ范登布兰德，C。范登布罗克，DC范德海德，L。范德沙夫，合资企业范海因宁根，AA范格格尔，M.Vardaro，V.Varma，S.Vass，M.Vasúth，A.Vecchio，G Vedovato，J。Veitch，PJ Veitch，K。Venkateswara，G。Venugopalan，D。Verkindt，D。Veske，F。Vetrano，A。Viceré，AD Viets，S。Vinciguerra，DJ Vine，J.-Y.。 Vinet，S.Vitale，Francisco Hernandez Vivanco，T.Vo，H.Vocca，C.Vorvick，SP Vyatchanin，AR Wade，LE Wade，M.Wade，R.Walet，M.Walker，GS Wallace，L.Wallace， S.Walsh，JZ Wang，S.Wang，WH Wang，RL Ward，ZA Warden，J.Warner，M.Was，J.Watchi，B.Weaver，L.-W。 Wei，M. Weinert，AJ Weinstein，R.Weiss，F.Wellmann，L.Wen，P.Weßels，JW Westhouse，K.Wette，JT Whelan，BF Whiting，C.Whittle，DM Wilken，D.Williams，JL威利斯，B。威尔克，W。温克勒，CC Wipf，H.Wittel，G.Woan，J.Woehler，JK Wofford，C.Wong，JL赖特，DS Wu，DM Wysocki，L。 Yang，Y. Yang，Z. Yang，MJ Yap，M. Yazback，DW Yeeles，余杭，Yu Hauncun，SHR Yuen，AK Zadrozny，A.Zadrozny，M.Zanolin，T.Zelenova，J.-P. Zendri，M.Zevin，J.Zhang，L.Zhang，T.Zhang，C.Zhao，G.Zhao，M.Zhou，Z.Zhou，XX Zhu，AB Zimmerman，ME Zucker，J.Zweizig和LIGO Scientific合作与处女座合作，2020年6月23日，《天体物理学杂志快报》。
10.3847 / 2041-8213 / ab960f

有关重力波天文台的其他信息：

LIGO由NSF资助，由加州理工学院和麻省理工学院运营，后者由LIGO构思并领导该项目。由美国国家科学基金会（NSF）领导的高级LIGO项目的财务支持由德国（马克斯·普朗克学会），英国（科学技术设施委员会）和澳大利亚（澳大利亚研究委员会-OzGrav）对该项目做出了重大承诺和贡献。来自世界各地的大约1300名科学家通过LIGO科学协作组织（包括GEO协作组织）参与了这项工作。提供其他合作伙伴列表。

处女座合作组织目前由来自11个不同国家（包括比利时，法国，德国，匈牙利，意大利，荷兰，波兰和西班牙）的99个研究所的大约520名成员组成。欧洲引力天文台（EGO）在意大利比萨附近安置了处女座探测器，并由法国国家科学研究所中心（CNRS），意大利国家电核研究所（INFN）和荷兰尼希夫（Nikhef）资助。处女座协作组的列表可用。