如果LIGO探測到中子星合併：我們可以知道到五個難以置信的事實

【博科園-科學科普】如果廣義相對論和牛頓引力有一個主要區別，那就是在愛因斯坦的理論中沒有什麼是永恆的。即使你有兩個完全穩定的質量在軌道周圍的軌道，它們的軌道不會被改變，失去的物質或者其他改變——它們的軌道最終會衰變。而在牛頓引力中兩個質量會繞其相互作用的引力軌道運行而且是永恆的。相對論告訴我們在每一個質量通過引力場加速的每一個瞬間，都有少量的能量丟失，能量不會消失，但會以引力波的形式被帶走。在足夠長的時間周期內，足夠的能量被輻射出去，這兩個繞軌道的物體將會相互接觸並結合在一起。現在LIGO已經三次看到黑洞的發生。但它可能即將邁出下一步，看到中子星第一次合併。

在合併時由雙中子星系統發射的引力波的三維（3D）繪製圖。中心區域(密度)被拉伸到5倍，以獲得更好的能見度。圖片版權：AEI Potsdam-Golm

任何在這個引力場中被捕獲的物體都會發出引力波，導致它們的軌道衰變。

LIGO探測到黑洞合併的原因有三個：

1、他們質量非常巨大

2、它們是宇宙中密度最大的物體

3、它們在最終的合併階段以正確的頻率運行而被LIGO的激光武器探測到

這一組合：大質量、短距離和正確的頻率範圍——給了LIGO團隊一個巨大的搜索區域，他們對合併黑洞很敏感，在數十億光年之外，這些巨大靈感的漣漪甚至可以在地球上感受到。

儘管黑洞應該有吸積盤，但黑洞合併產生的電磁信號應該是無法探測到的。如果有電磁對應物，它應該是由中子星引起的。圖片版權：NASA / Dana Berry (Skyworks Digital)

宇宙中還有許多其他引起巨大的引力波的物體。星系中心的超大質量黑洞吞噬著氣體雲、行星、小行星，甚至還有其他恆星和黑洞。不幸的是由於視界是如此之大，它們在軌道上的時間太長了，並且在錯誤的頻率範圍內LIGO未能看它們。白矮星、雙星和其他行星系統也存在同樣的問題：這些天體物理太大，因此需要很長時間才能進入軌道。它們都花了很長時間，事實上我們需要一個基於太空的引力波天文台——就像麗薩一樣去看它們。但LIGO還有另一個希望，那就是將中子星合併在一起（體積龐大，密度大，頻率合適）。

當兩個中子星相互環繞時，愛因斯坦的廣義相對論預言了軌道衰變，以及引力輻射的發射。在合併的最後階段——在引力波中從未觀測到——振幅應該如此之高，以至於LIGO可以探測到它們。圖片版權：NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer

中子星可能不像黑洞那麼大，但它們的質量可能高達太陽質量的數倍，大約是之前探測過的LIGO事件質量的10 - 20%。它們幾乎像黑洞一樣密度緊湊，物理尺寸只有10公里左右。即使黑洞坍縮成奇點，它們仍然有一個視界，而中子星的物理尺寸僅僅比黑洞的視界大小大得多。他們的頻率特別是在合併的最後幾秒鐘，LIGO敏感能力便能探測到它。

如果一個事件發生在正確的地方，這裡有五個令人難以置信的事實，我們可以學習：

TOP1、合併中子星真的會產生伽馬暴嗎？

在兩個中子星的吸入和合併過程中，應該釋放出大量的能量，以及重元素、引力波和電磁信號，如這裡所示。圖片版權：美國航天局/噴氣推進實驗室

這裡有一個令人難以置信的想法：短的伽馬射線爆發，它是令人難以置信的能量，但持續不到兩秒鐘，是由合併中子星引起的。它們發生在那些沒有形成新恆星的舊星系中，表明只有恆星的屍體才能解釋它們。但是直到我們知道了什麼導致了一個短的伽馬射線爆發，我們不能確定是什麼導致了它們。如果LIGO能夠探測到引力波中一對中子星的合併，我們就可以在隨後看到一個短的伽馬射線爆發，這將最終驗證和驗證天體物理學中最有趣的一個想法。

TOP2、當中子星碰撞時它們的質量中有多少不會變成黑洞？

如這裡所示兩顆合併的中子星會螺旋進入併發射引力波，但比黑洞更難探測。然而與黑洞不同，它們應該將其質量的一小部分噴射回宇宙中，在我們所知道的最重元素中，它佔了相當大的一部分。圖片版權：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc

當你觀察元素周期表中較重的元素，並問它們是如何製作的，你可能會認為「超新星」就是答案。畢竟這通常是天文學家講述的故事，而且部分是真實的。但元素周期表中最重元素——水星、金、鎢、鉛等——實際上是由中子星碰撞產生的。大部分的質量，大約在90 - 95%，從中子星開始形成一個單一的黑洞在中心，但是其餘的外層被拋出，形成了我們銀河系中大部分的這些元素。(註：如果兩顆合併中子星的質量之和低於某一閾值，它們就會形成中子星而不是黑洞。這應該很少見，但並非不可能。到底有多少被拋出？如果LIGO檢測到這樣的事件，就可以告訴我們答案。

TOP3、LIGO能看到合併中子星的距離有多遠？

這裡展示了先進的LIGO的範圍和探測合併黑洞的能力。合併中子星可能只有十分之一的範圍和0.1%的體積，但是如果中子星足夠充足的話，LIGO可能也有機會。圖片版權：LIGO Collaboration / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas of the Universe

這不是一個關於宇宙本身的問題，而是關於如何接近設計靈敏度的高級LIGO已經得到的問題。對於光來說如果物體的距離是10倍，那麼它的亮度只有1 / 100，但對於引力波來說，一個物體10倍的距離有一個引力波信號，仍然是1 / 10。黑洞可能在幾百萬光年的距離上觀察到LIGO，但如果它們在我們最接近的大星系團中合併，那麼中子星可能只有可見的。如果我們看到一個就能真正知道我們的設備有多好……。

TOP4、中子星合併的餘輝是怎樣的？

當兩顆中子星合併時就像在這裡模擬的那樣，它們應該會產生伽瑪射線暴流，以及其他的電磁現象，如果它們離地球足夠近的話，可能會出現在我們的一些最偉大的觀測站中。圖片版權：NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz and L. Rezzolla

我們知道在少數情況下，與中子星碰撞一致的強大事件發生了，而且它們有時會在其他電磁波段留下標記。不僅應該有合理的伽馬射線的機會，而且還可能有紫外線、光學、紅外線或無線電。或者可能會有一個多光譜對應，出現在所有五個這樣的條帶中。由於中子星的合併非常接近(LIGO可以探測到它)，我們可能有一個真正的機會進入大自然最令人難以置信的觀測之一。

TOP5、第一次我們可以將引力波天文學與傳統的(基於光的)天文學結合起來

中子星雖然主要由中性粒子組成，但卻產生了宇宙中最強的磁場。當中子星合併時，它們應該同時產生引力波和電磁信號。圖片版權：NASA / Casey Reed - Penn State University

以前的LIGO事件很壯觀，但沒有辦法通過望遠鏡看到合併，畢竟整個場景有兩個問題：

現在室女座正在運行並與孿生LIGO探測器同步，我們可以對在太空中發生的引力波事件做出更大的決定。但更重要的是因為中子星的合併應該有一個電磁對應物，這可能標誌著第一次引力波天文學和傳統天文學可以用來觀測宇宙中的同一事件！

兩個中子星的吸入和合併，如圖示應該產生一個非常特殊的引力波信號，但合併的時刻也應該產生獨特的電磁輻射，這是可以識別的。圖片版權：NASA

我們已經進入了天文學的新時代，在那裡我們不僅使用望遠鏡，還使用干涉儀。我們不僅僅是利用光，還有引力波來觀察和了解宇宙。如果合併中子星暴露在LIGO上，即使這些事件很罕見而且探測率很低，這意味著我們將越過下一個邊界。引力的天空和以光為基礎的天空將不再是陌生人。相反我們將更進一步了解宇宙中最極端的物體是如何實際工作的，我們將有一扇窗戶進入我們人類從未有過的宇宙。

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