天文学家在宇宙碰撞的“质量缺口”中发现了第一个神秘物体

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去年8月,LIGO和处女座的合作进行了首例引力波探测- 似乎是一个吞噬中子星的黑洞。现在,LIGO已确认该事件,并将其命名为GW190814。看起来中子星实际上不是……中子星。

那意味着探测是另一种不同的探测-我们所探测到的最小的黑洞,从而缩小了中子星和黑洞之间神秘的“质量间隙” 。但是,就像大多数宇宙给我们的答案一样,它打开了更多的声音。

威斯康星州密尔沃基大学的物理学家,LIGO科学合作组织发言人帕特里德·布雷迪说: “这将改变科学家谈论中子星和黑洞的方式。”

“质量差距实际上可能根本不存在,但可能是由于观测能力的限制所致。时间和更多的观测将证明这一点。”

进入质量差距
在我们发现黑洞和中子星时,质量间隙是一个奇怪的例外。两种类型的物体都是大质量恒星的坍塌的死芯。对于中子星,祖星大约是太阳质量的8到30倍;它们在死亡前就将其大部分物质吹散,其核心坍塌成大约1.4太阳质量的物体。

同时,大于约30个太阳质量的祖先恒星坍塌成黑洞,其质量范围很广。

这导致了我们的差距。我们从未见过在特定上限和下限之间的合并前物体-中子星大于 2.3太阳质量,或者黑洞小于5太阳质量。

GW190814现在已交付该对象。对引力波信号的分析表明,两个合并物体中较大的一个(被解释为黑洞)为23个太阳质量。两者中的较小者仅为2.6太阳质量,比另一个小9倍。

这个质量意味着它可能是我们迄今为止发现的最大的中子星。或更可能是最小的黑洞。

“对于当前的理论模型而言,要形成如此大质量比的紧凑对象对的合并是一个挑战,低质量伙伴位于质量间隙中。这一发现意味着这些事件的发生频率比我们预想的要高得多,这使得确实吸引人的低质量物体。” 伊利诺伊州西北大学的天体物理学家Vicky Kalogera解释说。

“这个神秘物体可能是一个中子星合并了一个黑洞,这是理论上预期的令人兴奋的可能性,但尚未通过观察得到证实。但是,在太阳质量的2.6倍的情况下,它超出了现代对中子星最大质量的预测,并且相反,它可能是有史以来最轻的黑洞。”

中子星的极限
天文学家不确定质量差距中存在的原因是,要计算出所谓的Tolman-Oppenheimer-Volkoff极限(TOV极限)确实很困难。这是一个极限,在该极限之上,中子星的质量如此之大,中子的向外压力无法再与重力的向内压力相互排斥,并且物体坍塌成黑洞。

随着我们的观察变得越来越可靠,对中子星的TOV限制的限制逐渐接近。计算通常将其限制在2.2至2.4太阳质量之间。GW170817的数据-2017年中子星合并产生的合并后质量差黑洞为2.7太阳质量-将其范围缩小到2.3太阳质量左右。

GW190814中较小物体的不确定性来自TOV极限的回旋空间-但是,根据该小组的分析,如果采用2.3太阳质量计算,则该物体是中子星的可能性只有大约3% 。

研究人员在论文中写道: “ GW190814可能不是中子星黑洞聚结的产物,尽管它具有这样的初步分类。” “尽管如此,由于[TOV限值]的当前不确定性,次级成分是中子星的可能性无法完全消除。”

怎么办?
中子星黑洞合并本来会非常令人兴奋,但是GW190814可能具有一个小黑洞的事实也确实很棒。

首先,这一发现现在可以帮助天文学家限制质量差距。而且,重要的是,它使我们的中子星和双星系统的形成模型陷入混乱。

您会发现,天文学家认为恒星质量的黑洞是由真正巨大的恒星产生的,这些恒星进入超新星并坍塌成黑洞。而且我们相信中子星的形成方式相同。但是,理论家们正在建立适合质量差距的地层模型。现在已经找到了合并前的质量差距对象,因此需要重新评估这些模型。

另一个问题是大量的差异。迄今为止,检测到的大多数引力波合并都涉及两个大小相等的物体。今年早些时候,科学家宣布了质量比约为3:1的黑洞合并,但GW190814更为极端。

二进制系统有两种主要形成方式。他们要么是从同一块星际云中诞生的,在一起生活一生,然后就死了;否则他们以后会聚在一起。但是,对于这些二元形成模型而言,生产具有如此极端质量比的系统确实非常困难。

而且,GW190814 在2015年首次重力波探测后的几年内就被探测到了,这表明这种极端的系统并不少见。

加州大学圣克鲁斯分校的天文学家赖安·弗利(Ryan Foley)告诉《科学快报》:“所有常见的形成通道都存在某些缺陷。” Foley是发现最初的GW190814检测到的团队成员,并且没有参与这份新论文。

“ [这种事件的发生率]相对较高。[并且]不仅仅是质量相差九倍。而且其中一个处于质量差距中。其中一个它们真的非常庞大。因此,所有这些东西加在一起,我认为没有一个好的模型可以真正解决这三个单独的问题。”

这项检测中有很多内容可以让理论学家忙一阵子,重新想象一下这些形成场景,以确定像GW190814这样的系统及其分离的组件如何形成-较小的物体是中子星还是黑洞。 。

至于解决后者,将需要更多的检测。LIGO正在进行升级,目前离线。预计它将在明年某个时候重新上线,比以往任何时候都更加敏感-希望能够检测到更多事件,例如GW190814,这将有助于解决一些悬而未决的问题。

英国LIGO科学合作组织和英国卡迪夫大学的天体物理学家查理·霍伊(Charlie Hoy)说: “这是紧凑的二元物体的全新集合的第一印象。”

“真正令人兴奋的是,这仅仅是开始。随着探测器变得越来越敏感,我们将观察到更多这些信号,并且我们将能够查明宇宙中的中子星和黑洞的数量。 ”

这项研究已发表在《天体物理学杂志快报》上。

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