大约8.7亿年前，两颗死亡的恒星合二为一。它们的合并震撼了空间结构，产生的引力波于2019年8月14日扫过地球，在三对精心校准的激光器中荡漾，这些激光器旨在探测它们的通过。一个自动化系统在21秒后发出了初步警报，震动了智能手机，并在世界各地的笔记本电脑上发出了提示音。
在首次引力波探测获得诺贝尔奖几年后，这种警报变得司空见惯，首次探测源于一对碰撞的黑洞。然而，这一次，天体物理学家立即意识到观测到的事件很特别。“当我看到数据时，我惊呆了，”富勒顿加州州立大学的杰弗里·洛夫莱斯说，他是激光干涉引力波天文台（LIGO）科学合作组织的成员。
这次引力波是由美国的LIGO和意大利的Virgo天文台于UTC时间2019年8月14日21:11:18探测到的。自动初步分析将其归类为一对质量太小而无法分类的天体之间前所未有的合并，促使天文学家争先恐后地寻找来自该事件的额外电磁辐射。随后的分析将信号重新归类为黑洞和中子星之间的碰撞，中子星是一种恒星残骸，引力将整个太阳的质量压缩成一个城市大小的球体。这可能是首次有信心地探测到此类事件，并且继黑洞-黑洞融合和两颗中子星之间的合并之后，这是引力波探测到的第三种碰撞类型。虽然分类仍不确定，但这个现在被称为GW190814的事件标志着天体物理学研究新时代的开始，对研究人员理解爱因斯坦的广义相对论、恒星的死亡和极端物质的行为具有重要意义。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
“超出图表”的信号
LIGO合作者、宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家查德·汉纳和他的妻子正在庆祝结婚纪念日，这时他的手机响了。他的团队专门从事LIGO事件的快速分类，因此他立即登录查看了引力波的详细信息。“我首先知道的是它非常重要，”汉纳说，“响亮得有点超出图表。”
LIGO-Virgo合作的算法管道几乎立即根据引力波的形状、持续时间和其他因素输出基本分类——汉纳的团队的目标是20秒以内——以便天文学家可以立即将望远镜转向引力波来自的天空方向。
在8月的那一天，自动系统自信地宣布，产生GW190814的物体中至少有一个落入了“质量缺口”，这是一片荒地，跨越三到五个太阳质量，似乎没有黑洞和中子星。所有已知的黑洞都重于五个太阳，而所有已知的中子星——由质量较轻的恒星诞生，这些恒星停止了变成黑洞——都轻于三个太阳。质量缺口探测本将是LIGO-Virgo的首次——这将锐化将最重的中子星与最轻的黑洞区分开来的理论界限——但初步标签不会持续。“全球各地都有交接班，”C.S.U.富勒顿的天体物理学家、LIGO成员乔斯林·里德说，从当天下午美国的的研究人员开始，计算工作一直持续到第二天早上在欧洲进行。
美国科学家在2019年8月14日醒来时，迎来了一个新的分类。人工分析已将该事件确定为中子星-黑洞合并，置信度超过99%。LIGO-Virgo已经听到了十多次黑洞对的碰撞，以及两对中子星的碰撞，但它从未确凿地听到过黑洞吞噬中子星的隆隆声。
石溪大学的天文学教授、核天体物理学的先驱詹姆斯·拉蒂默说：“这是我期待已久的事情，”他在1976年的论文中表明，中子星-黑洞合并可以将金和铀等重元素喷射到太空中。
研究人员在2019年4月探测到了类似的引力波，但他们无法确认它来自深空——与该潜在事件相关的信号模型表明，它有60%的几率起源于地面隆隆声，并且预计大约每20个月会出现一次这种虚假探测。然而，2019年8月的信号最初看起来非常清晰，以至于误报将是万亿年一遇的事件。“当它超过宇宙的年龄时，”洛夫莱斯说，“你就知道这是真的。” 后来更全面的分析将误报定为万年一遇的事件。
然而，GW190814震耳欲聋的信号并不能保证天体物理学家肯定已经捕获了他们的首次中子星-黑洞碰撞。虽然当前的标签清楚地将较重的物体置于黑洞领域（超过五个太阳质量），但它将较轻的伴星留在三个太阳质量以下的模糊区域。进一步的分析将这个伴星的质量细化为2.6个太阳质量，其身份仍然可以在宇宙中最重的中子星或最轻的黑洞之间摇摆不定。理论论证使物理学家怀疑黑洞的可能性更大，但在没有更多数据的情况下，他们无法确定。
寻找光
意大利的Virgo探测器——以及LIGO的两个探测器中的一个——最初识别出了引力波，但合作组织能够手动整合来自第二个LIGO探测器的数据，通宵达旦地工作。来自第三个探测器的三角测量使研究人员能够比以往任何引力波探测后更快、更精确地确定源在天空中的位置。“我打开了[新的]天空图，我当时想，‘哦，他们不小心更新了一张空白天空图，’”里德回忆起她注意到标记引力波起源的小点之前的想法。
缩小的位置，仅占天空总面积的0.06%，对于天文团队寻找可能伴随中子星死亡的伽马射线闪光或可见光来说，是一个福音，如果较轻的伴星真的是中子星的话。“原则上，覆盖该区域只需几分钟，”布兰代斯大学的宇宙学家马塞尔·苏亚雷斯-桑托斯说，他协调了使用智利一台四米望远镜上的暗能量相机进行的后续观测。
黑洞可能已经撕碎了潜在的中子星，留下了一个闪闪发光的残骸环，随着它落入黑洞等待的巨口而逐渐消失。或者，黑洞可能已经干净利落地吞下了中子星，几乎没有留下任何可见的东西。LIGO-Virgo对GW190814的模拟预测了后一种情况，但没有人确切知道实际发生了什么。苏亚雷斯-桑托斯和其他团队最终没有发现伴随的闪光，她说这可能有助于完善关于这种同类首例事件如何发生的理论。
探测“中子星物质”
理论家们梦想着捕捉中子星的消亡，因为描述这种神秘天体内部结构的竞争理论比比皆是。核物理学家试图窥探这些天体的内部，那里的物质密度挑战了目前最好的模型。例如，如果压力将中子溶解成基本粒子的等离子体，那么一定质量的中子星应该比它们原本的尺寸更小。当恒星螺旋式落入黑洞时产生的探测到的引力波的精细特征可能会揭示恒星的大小，并因此揭示填充它的物质的稠度。同样，天文学家是否看到闪光也会限制恒星的大小。加州大学伯克利分校的博士后研究员本·马加利特说，这种对中子星尺寸的精确测量是“核物理学的圣杯”，他没有参与观测该事件的合作。
黑洞摧毁中子星也代表了检验广义相对论的新领域。洛夫莱斯说，将爱因斯坦的引力理论应用于黑洞周围光滑的时空结构已经足够困难了。加入热的、湍流的磁化中子星物质——一种有时被称为中子星物质的奇异物质——将挑战提升到了一个新的混乱的水平。
即使时空中的这种涟漪没有泄露任何自然界的秘密，研究人员也相信这仅仅是未来众多涟漪中的第一个。“我希望它能告诉我们一些关于黑洞-中子星[合并]的信息，”洛夫莱斯说。“但即使没有，它仍然让我对引力天空的光明前景感到非常乐观。”