遙望星辰大海，看似平靜，卻也激流涌動，“眉目傳情、暗送秋波”現象在天文探測中時有發生。

6月29日，《天體物理學雜志快報》發表論文稱，來自美國LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA的天文學家公布了他們的合作成果。在LIGO和Virgo的第三輪運行中，天文學家接連發現了兩例來自黑洞-中子星并合的引力波事件——GW200105和GW200115。

這是人類首次確認黑洞-中子星并合。至此，通過“活捉”引力波，人類拼好了包括雙黑洞和雙中子星并合的三種致密雙星并合“魔方”。

科學家如何確定引力波來源?此次發現有何特殊之處?引力波還能在哪些領域取得新突破?帶著這些疑問，科技日報記者與天文研究專家對話，一同尋覓。

捕獲引力波或是巧合

“對一個天體對象的探測，無非有兩種方法：一個是引力，一個是電磁波。”華中科技大學物理學院教授鄒遠川說，首次探測到黑洞—中子星并合事件，或是巧合。

早在2015年9月14日，人類首次通過LIGO和Virgo發現了雙黑洞并合產生的引力波， 這也是首次探測到引力波， 因此獲得2017年諾貝爾物理學獎。

兩年后，2017年8月17日， 科學家觀測到雙中子星并合產生的引力波， 同時也看到并合后拋出的中子物質間接產生的伽馬射線,光學輻射等電磁信號。

鄒遠川介紹，至此，對致密雙星并合的探測中，地面引力波探測器只剩黑洞-中子星并合事件未看到。這次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探測成果，正好完成了拼圖.

“近年來，以LIGO為代表的引力波探測器，靈敏度穩步提升，這是人類發現黑洞-中子星并合事件的關鍵。”北京師范大學引力波與宇宙學實驗室博士朱興江介紹，相對而言，黑洞-中子星并合或許沒有雙黑洞、雙中子星并合頻繁，我們需要能看得更遠的探測器去發現它們。

時隔四年，黑洞-中子星并合為何最后一個被探測到?

鄒遠川認為，主要原因有兩個， 一是該事件發生率較低且信號強度比較弱， 目前被探測到的絕大多數是雙黑洞并合， 其質量比中子星大幾十倍，產生的信號強烈; 二是巧合， 如雙中子星并合的理論探測率也不高， 目前一只看到了一個， 先于黑洞-中子星發現，也僅是巧合.

“黑洞-中子星并合原則上也會輻射電磁波，但在這兩個并合事件中，沒有探測到任何電磁波信號。”朱興江說，可能是它們距離地球太遠，且方位不清，難以捕捉，抑或是黑洞質量比中子星大很多，中子星直接被黑洞吞噬了，僅造成時空的震顫，沒有留下其他任何痕跡。

質量決定身份

鄒遠川說，判斷并合事件類型，主要以兩個天體的質量來確定，引力波波形中包含并合天體的質量信息。

中子星質量上限， 稱為奧本海默極限， 大致為三倍的太陽質量， 致密天體超過該質量可以確定為黑洞.

這次探測到的引力波事件GW200105，為約8.9倍太陽質量和1.9倍太陽質量致密天體并合， GW200115則是約5.9倍太陽質量和約1.4倍太陽質量致密天體并合。其中質量大的為黑洞， 質量小的被認為是中子星。

“原則上，兩個更小質量的天體也可能是黑洞，但其質量與中子星一致，且以前并未發現如此輕的黑洞，所以判斷是黑洞-中子星并合最為合適。”朱興江介紹。

目前，地面引力波探測器發現的50余例引力波事件均來自兩個致密天體的繞轉和并合現象。

“引力波頻率不同， 探測手段也不一樣。”鄒遠川說，宇宙中的超新星爆發、中子星或白矮星非對稱振動、宇宙深處超大質量雙黑洞并合、 小黑洞圍繞超大質量黑洞的旋進和宇宙早期一些劇烈物理過程都會產生引力波。

鄒遠川介紹，目前，LIGO、Virgo和KAGRA主要探測千赫茲的引力波。我國天琴計劃、太極計劃及歐洲的LISA計劃為空間引力波探測計劃， 主要探測毫赫茲附近的引力波。此外，更低頻的，約1納赫茲引力波， 主要以脈沖計時整列的方式探測。

“不少信號特征，與我們日常生活中出現的聲音相似。”朱興江說，引力波信號隨機背景類似收音機播放的噪聲，旋轉中子星的信號則是一個單頻連續信號，超新星爆發的信號可能是一個短暫的爆炸聲，兩個致密天體繞轉的信號或更像鳥叫聲，科學家們形象地稱之為啁啾信號。

“理論驗證”開啟探秘之門

“探測到黑洞-中子星并合事件 湊齊了三種致密雙星并合的拼圖， 符合理論預期。”鄒遠川如是說，GW200105和GW200115兩個事件均未觀測到電磁對應信號， 也和理論預期一致。

他介紹，黑洞-中子星并合有兩種情形， 若黑洞質量比較大， 黑洞將直接吞噬中子星， 預期沒有電磁輻射， 符合目前觀測到的兩個事例; 或是黑洞質量較小， 則通過潮汐力撕裂并合時候的中子星， 其中部分中子物質被拋射出去， 產生核合成及電磁輻射。

因此，伴有電磁輻射的黑洞-中子星并合事件是下一個值得期待的突破。

朱興江認為，這次觀測成果證實了包括銀河系在內的黑洞-中子星雙星系統，或在宇宙中廣泛存在，“黑洞-脈沖星系統也許很快將被發現。”

在鄒遠川看來，更長遠的突破是地面引力波探測設備進一步升級， 能觀測到宇宙中所有正在發生并合的雙致密星， 為人類了解恒星特別是雙星的演化提供絕佳手段， 可以不受阻礙地知道宇宙中所有正在發生的某類事情。

同時，我國天琴計劃、太極計劃和歐洲LISA計劃實施后， 將能觀測到宇宙早期超大質量黑洞的并合， 為我們理解星系中心黑洞的成長歷史提供直接證據。

“聯合探測十分值得期待。”鄒遠川興奮地說，把較低頻的空間引力波探測和LIGO的千赫茲探測結合， 加上頻率接收范圍介于二者之間的探測器， 可監測雙致密從互相繞轉到最終并合的整個歷史， 還能提前預報并合事件， 得以讓傳統望遠鏡提前觀測， 將引力波和電磁信號進行聯合， 讓人類全面了解黑洞的本質等神秘現象。(記者 吳純新 劉志偉)

關鍵詞： 引力波 致密雙星 天文探測 黑洞 中子星并合