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LIGO即将摧毁中子星和黑洞之间的质量差距理论吗

每当一颗恒星诞生于宇宙中时,它的最终命运几乎完全取决于核聚变在其核心点燃的那一刻。仅依赖于几个因素 - 质量,比氦重的元素的存在,以及它是否是多星系统的一部分 - 我们可以非常准确地计算出具有特定属性的恒星的最终命运。

对于大多数恒星,包括与太阳类似的所有恒星,最终的命运将是一颗白矮星:一种极其密集的原子集合,比数十(甚至数百)木星更大,但只有地球的大小。然而,对于更大质量的恒星来说,更具灾难性的命运正在等待着:超新星,它可能会产生中子星或黑洞残余。最重的中子星与超新星形成的最轻的黑洞之间可能存在或不存在质量差距,人类从来没有找到更好的位置。

恒星质量越大,它所拥有的材料就越多,可用作核聚变的燃料。你可能倾向于认为燃烧更多的燃料,更大质量的恒星会活得更久,但事实恰恰相反。

你形成恒星的方式是通过分子云气体的崩溃。当你有更大量的物质形成你的恒星时,云的坍塌会捕获更多的内部热量,导致更大的核心温度超过该恒星内部更大的空间。尽管在恒星内部达到4,000,000 K(左右)的温度足以点燃核聚变,但更高的温度会导致更快的融合速率,这相当于更明亮但寿命更短的恒星。

在光谱的极端高质量端,恒星可以达到数十甚至数亿开尔文的温度。当内核中的氢丰度降至临界阈值以下时,核中的熔化速率开始降低,这意味着恒星核心中产生的向外压力也开始下降。由于这是抵消所有引力坍塌恒星的引力的主要力量,因此低油耗意味着恒星的核心将开始收缩。

每当你有大量快速收缩的物质(即绝热)时,该系统的温度就会升高。对于足够大的恒星,核心的收缩会使其充分加热,从而可以开始融合其他元素。除氢融合外,氦还可融合成碳。对于比太阳质量大8倍的恒星来说,它们将超越它,融合碳,氧,氖,硅等,直到内核由铁,镍和钴等元素组成:核可以融合没有进一步的。

一旦你开始在你的恒星核心中创造铁,镍和钴,就没有其他地方可去了。将这些原子核融合成更重的元素需要比融合过程所释放的能量更多的能量,这意味着核心崩解的能量比新的聚变反应更有利。当岩心坍塌时,发生失控的聚变反应,在超新星爆炸中将星体的外层爆破,而核心则坍塌,爆炸。

位于超新星光谱质量较低端的恒星核心将在它们的中心产生中子星:恒星残骸就像一个十几公里宽的巨大原子核,但含有高达约2.5太阳质量的物质。然而,在高质量端,产生大约8个太阳质量及以上的黑洞。

虽然我们有各种各样的方法来推断中子星和黑洞的质量,但最简单的方法是找到这些恒星残骸中的一个,它们处于二元轨道上,与另一个可探测的大质量物体相对。例如,中子星脉冲,并观察绕另一颗中子星轨道运行的脉冲中子星的行为,可以确定两者的质量。

中子星在与其他恒星系统一起旋转,爆发或轨道时出现故障,同样可以推断出它们的质量。质量是质量,重力是重力,无论你的质量是多少,这些规则都不会改变。另一方面,对于黑洞,当它们是X射线二元系统的一部分时,我们只能推断出最小的质量。近十年来,出现了一个难题,导致了中子星与黑洞之间存在“质量差距”的想法。

从2010年开始,研究这些含有中子星或黑洞的二元系统的科学家注意到了一些特殊的东西:虽然观察到大约7或8个太阳质量的黑洞,并且看到了大约2个太阳质量的中子星,两者之间没有发现任何东西。换句话说,在低质量中子星和高质量黑洞之间,似乎存在质量范围,可能在2-2.5和5-8太阳质量之间,其中黑洞和中子星都没有出现。

当然,我们总是有可能对所涉及的物理学和天体物理学作出不正确的假设,但即使是那些考虑它的研究仍然无法解释为什么下面约5个太阳质量的来源数量如此急剧下降。

它有可能是一个很好的天体物理学原因。并不是每一颗足以成为超新星的恒星都会这样做,因为还有其他可能的命运等待着这样的恒星。他们包括:

来自轨道同伴的气体剥离,留下退化的核心,

对不稳定超新星,内部能量上升到足以使电子 - 正电子对自发产生,导致整个大质量恒星的破坏,

与伴侣合并,创建相对稀少的中等质量对象,或

直接崩溃,因为足够大的恒星可能会经历一场灾难,整个恒星都会坍缩成黑洞;这种现象直接在几年前首次被观察到。

可能是创造中子星的超新星爆炸与产生黑洞的超新星爆炸根本不同。如果是这样的话,可能只有少量物质的质量大于普通的中子星,但物质质量低于普通的黑洞。唯一的“质量差距”物体可能完全来自两颗中子星的合并。

那么,质量差距是真的吗?或者在这个质量范围内是否有大量的中子星和/或黑洞,今天人口稀少?

揭示答案的一种可能性是以与源无关的方式检查银河系中自由浮动质量的存在。这可以通过应用引力微透镜的科学来实现:质量在我们的视线和远距离光源之间传递,导致背景源的瞬间增亮和变暗,其方式仅取决于质量介入质量。

最近的微透镜研究利用了ESA盖亚任务的数据,并没有发现任何证据表明这种所谓的质量差距。相反,他们已经发现了许多有趣的微透镜候选人,他们需要填补这个所谓的差距。

但到目前为止我们提到的研究 - 诸如此类的间接研究 - 几乎没有定论。你想要的是一种直接测量/推断物体质量而不依赖于它们的性质的方法,同时能够确定它们是中子星,黑洞还是更奇特的东西。在这十年的开始,这只是一个梦想;远远超出我们技术能力的目标。

但是随着最近LIGO和处女座等引力波探测器的成功和升级,今天我们处于一个令人难以置信的位置:未来几个月和几年应该揭示,如果我们仅仅在引力波中观察宇宙,质量差距是否仍然存在。如果在宇宙中有大量恒星残余物的平滑,不间断的分布,我们完全期望我们将立即开始找到填补质量空间的物体,因为LIGO的灵敏度范围最终开始包括这些低质量物体。

用引力波探测中子星和黑洞等大质量物体是一项巨大的成就,但却受到探测器灵敏度的限制。然而,当它们存在于二元系统中并且相互螺旋时,它们会发出引力辐射:一个足够灵敏的探测器可以发现的信号。对于像LIGO这样的引力波探测器,有四件事需要考虑:

两个吸气质量越大,信号幅度越大。

两个质量在空间上越接近,到达信号的幅度越大。

合并质量越接近空间,到达信号的幅度越大。

并且这两个质量的质量越低,它们在LIGO可检测的频率范围内花费的时间量就越大。

换句话说,有一个权衡:更大的物体可被探测到更远的距离(在更大的空间体积上),但是较小的物体在LIGO敏感的频率范围内花费更多的时间。

在2019年8月14日,LIGO宣布了一个似乎正处于这个“禁止”质量范围内的候选人事件。虽然后续分析可能表明这是一颗与黑洞合并的中子星,而不是位于“质量差距”制度中的物体,但实现LIGO最终具有填充能力是一项巨大的成就。一劳永逸地在差距中。

总而言之,LIGO正在接收这些低质量物体:那些落在“质量差距”范围内的物体。我们不知道最大质量的中子星在哪里,也不知道最小质量的黑洞在哪里。我们不知道合并二元中子星在它们合并时是否总会产生黑洞(我们认为这是2017年观察到的一个千瓦),我们不知道这种合并是否是宇宙填充质量差距区域的唯一方式。但是,随着当前LIGO和处女座的更多数据 - 以及灵敏度进一步提高的未来运行 - 天体物理学家可能会完全证实或破坏质量差距的概念。

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