去年 8 月，LIGO 和 Virgo 的合作开创了先河检测 - 什么似乎是一个吞噬中子星的黑洞。 现在 LIGO 已经确认了这一事件，并将其命名为 GW190814。 它看起来像实际上并不是……中子星。
这意味着这是第一次不同类型的检测——最小的检测我们曾经探测到，缩小了中子星和。 但是，就像宇宙给我们的大多数答案一样，它还揭示了更多答案。
“这将改变科学家谈论中子星和黑洞的方式，”物理学家帕特里克·布雷迪说威斯康星大学密尔沃基分校教授和 LIGO 科学合作组织发言人。
“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。时间和更多的观测会证明一切。”
进入质量间隙
在我们对黑洞和中子星的探测中，质量间隙是一个奇怪的例外。 两种类型的天体都是大质量恒星坍塌、死亡的核心。 对于中子星来说，前身星的质量大约是太阳质量的8到30倍； 它们在死亡之前会消耗掉大部分质量，核心会塌陷成质量约为 1.4 个太阳的物体。
与此同时，质量大于 30 个太阳质量的祖星塌陷成黑洞，质量范围很广。
这导致了我们的差距。 我们从未见过一个介于特定上限和下限之间的预合并物体——一颗比周围大的中子星2.3 太阳质量，或者小于的黑洞5个太阳质量。
GW190814 现已交付该对象。 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）质量为 23 个太阳质量。 两者中较小的一个只有 2.6 个太阳质量，比另一个小九倍。
这个质量意味着它可能是我们迄今为止探测到的最大的中子星； 或者，更有可能的是，最小的黑洞。
“对于当前的理论模型来说，形成具有如此大质量比的致密天体合并对是一个挑战，其中低质量伙伴位于质量间隙中。这一发现意味着这些事件发生的频率比我们预测的要高得多，这使得这成为真正有趣的低质量物体，”天体物理学家维琪·卡洛格拉 (Vicky Kalogera) 解释道伊利诺伊州西北大学的教授。
“这个神秘物体可能是一颗中子星与黑洞合并，这是理论上预期的一种令人兴奋的可能性，但尚未得到观测证实。然而，它的质量是太阳的 2.6 倍，超过了现代对中子星最大质量的预测，并且相反，它可能是迄今为止发现的最轻的黑洞。”
中子星的极限
天文学家不确定质量间隙中存在什么的原因是，计算托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（TOV 极限）确实很困难。 这是中子星质量的极限，超过该极限，中子向外的压力将无法再与向内的重力压力相互排斥，物体就会塌缩成黑洞。
随着我们的观测变得更加可靠，对中子星 TOV 极限的限制正在接近。计算通常将其置于 2.2 到 2.4 个太阳质量之间； 以及来自 GW170817 的数据——2017 年的中子星合并，产生了合并后的质量间隙黑洞2.7 个太阳质量 - 已将其缩小到约2.3个太阳质量。
GW190814 中较小天体的不确定性源于 TOV 极限的回旋余地，但根据该团队的分析，如果采用 2.3 个太阳质量的计算，该天体是中子星的可能性只有 3% 左右。
“GW190814 可能不是中子星-黑洞合并的产物，尽管它是这样初步分类的，”研究人员在论文中写道。 “尽管如此，由于目前[TOV限制]的不确定性，不能完全排除次要成分是中子星的可能性。”
怎么办？
虽然中子星与黑洞的合并会非常令人兴奋，但 GW190814 很可能具有微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间隙。 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相当混乱。
你看，天文学家认为恒星质量的黑洞是由真正的大质量恒星产生的，这些恒星变成超新星并坍缩成黑洞。 我们相信中子星也是以同样的方式形成的。 但理论家们正在制作适合质量间隙的地层模型。 既然已经找到了合并前的质量间隙物体，则需要重新评估这些模型。
另一个问题是巨大的质量差异。 迄今为止检测到的大多数引力波合并都涉及两个大小大致相等的物体。 今年早些时候，科学家们宣布质量比约为 3:1 的黑洞合并，但 GW190814 更为极端。
二元系统的形成主要有两种方式。 要么他们一起诞生于同一块星际云，一生一起生活，然后一起死去； 或者他们在以后的生活中走到一起。 但这些二元形成模型确实很难产生具有如此极端质量比的系统。
事实上，GW190814 是在该事件发生几年后才被发现的。2015年首次探测到引力波意味着这种极端的系统并不少见。
“所有常见的形成通道都存在一些缺陷，”加州大学圣克鲁斯分校的天文学家 Ryan Foley 告诉 ScienceAlert。 弗利是该团队的成员之一找到了最初的GW190814检测，并且没有参与这篇新论文。
“[此类事件]的发生率相对较高。[而且]不仅仅是质量相差九分之一。而且其中一个质量差距也存在。其中之一它们真的非常非常大，所以所有这些因素加在一起，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。”
这次探测中的大量内容让理论学家们忙了一段时间，重新想象这些形成场景，以确定像 GW190814 这样的系统及其单独的组件是如何形成的——无论较小的物体是中子星还是黑洞。
至于弄清楚后者，这将需要更多的检测。 LIGO 目前处于离线状态，正在进行升级。 预计它会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像 GW190814 这样的事件，这将有助于解决一些悬而未决的问题。
“这是第一次看到可能是全新的紧凑二元物体群，”天体物理学家查理·霍伊说LIGO 科学合作组织和英国卡迪夫大学的合作。
“真正令人兴奋的是，这只是一个开始。随着探测器变得越来越灵敏，我们将观察到更多的这些信号，我们将能够精确定位宇宙中中子星和黑洞的数量。 ”
该研究发表于天体物理学杂志通讯。
