引力波又雙叒現(xiàn)，但這次“它”卻缺席了 | 賽先生天文
撰文｜朱錦平（北京大學(xué)）、吳仕超（德國馬克斯普朗克引力物理研究所）、張冰（內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校）
責(zé)編 | 韓越揚(yáng)、呂浩然
根據(jù)目前的恒星演化理論，初始質(zhì)量大小約為8-20倍太陽質(zhì)量的恒星在死亡時(shí)將會(huì)遺留下一顆中子星，其致密程度超乎想象。一顆比太陽稍重的中子星，其直徑大小只不過和北京市四環(huán)線直徑相當(dāng)（邊長約20公里）。對(duì)于初始質(zhì)量大于20倍太陽質(zhì)量的恒星，它們“死亡”時(shí)一般會(huì)直接塌縮成黑洞，這類天體會(huì)將它的全部物質(zhì)擠壓進(jìn)一個(gè)以所謂史瓦西半徑定義的球體之內(nèi)。而史瓦西半徑（即視界面），則是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一個(gè)由質(zhì)量定義的臨界半徑。
像太陽這樣重的天體，它的史瓦西半徑只有3公里左右，所以這類天體相比中子星更加致密。之所以叫做黑洞，是因?yàn)樗鼈兙哂袠O其強(qiáng)大的引力作用，連光都無法從其視界面逃逸出來。我們無法直接看到它發(fā)出來的光，但可以通過它的引力效應(yīng)窺探它的存在。宇宙中的中子星質(zhì)量大小在約1-2倍太陽質(zhì)量的范圍內(nèi)，而恒星級(jí)的黑洞質(zhì)量一般大于3-5倍太陽質(zhì)量。
由雙中子星、中子星-黑洞或雙黑洞構(gòu)成的致密雙星系統(tǒng)會(huì)通過引力波輻射損失軌道的能量，兩顆致密天體在千百萬年相互繞轉(zhuǎn)的過程中會(huì)逐漸加速并相互靠近。在繞轉(zhuǎn)的最后幾圈，引力波的輻射已經(jīng)增強(qiáng)到可以被地面的引力波探測器（如美國的LIGO和歐洲的Virgo）探測到。最終，兩顆致密天體會(huì)發(fā)生并合，這個(gè)過程通常非常短暫，并合一瞬間的時(shí)間跨度僅為毫秒量級(jí)。相比于雙黑洞并合可能不存在明亮電磁對(duì)應(yīng)體，雙中子星或中子星-黑洞并合時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生明亮的電磁對(duì)應(yīng)體，比如短伽馬射線暴和千新星。
并合過程中，由于系統(tǒng)極高的能量和角動(dòng)量，會(huì)有一些富含中子的物質(zhì)留在并合之后的黑洞視界之外。一些物質(zhì)被黑洞吸積后，會(huì)在與軌道平面垂直方向產(chǎn)生相對(duì)論噴流及短伽馬暴輻射，另外一些富含中子的拋射物會(huì)擺脫引力被拋射到星際空間中。這些富中子的拋射物會(huì)通過快中子俘獲過程形成重元素并發(fā)生放射性衰變。這些過程會(huì)加熱快速膨脹的拋射物，形成一種在紫外-光學(xué)-紅外快速演化的熱輻射現(xiàn)象，即千新星輻射。
這一現(xiàn)象最早于1998年由普林斯頓大學(xué)的李立新（現(xiàn)為北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所教授）和Bodan Paczynski提出[1]，并由Metzger等人[2]在2010年進(jìn)一步完善。Metzger等人預(yù)言這類現(xiàn)象的熱輻射峰值光度約為新星爆發(fā)的一千倍左右，“千新星”由此得名。該變?cè)捶逯禃r(shí)間約為并合后的一天左右，整個(gè)現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間僅為十幾天。
而通常的時(shí)域巡天項(xiàng)目，會(huì)被設(shè)計(jì)用來搜尋演化時(shí)間長達(dá)數(shù)百天的超新星等爆發(fā)現(xiàn)象。因此，盡管有了對(duì)千新星較為清晰的理論預(yù)言，但由于它相比超新星較低的亮度和快速演化的特征，在日常巡天中搜尋千新星極為困難，如何去搜尋并證認(rèn)千新星的存在，成為了天文學(xué)家們的一道難題。除了千新星輻射外，當(dāng)垂直于軌道平面方向上的噴流指向地球時(shí)，觀測者也將同時(shí)檢測到伽馬射線暴的存在。
噴流進(jìn)入星際空間后會(huì)掃積星際物質(zhì)，產(chǎn)生明亮的余輝輻射，天文學(xué)家們因此也在嘗試從已經(jīng)記錄的余輝樣本中搜尋千新星的蹤跡。雖然在余輝樣本中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)疑似千新星的候選體，但所有的候選體幾乎都是余輝后期偏離理論一到兩個(gè)觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)的超出，很難百分之百證認(rèn)千新星真實(shí)的存在。
GW170817的預(yù)警天區(qū)范圍及其成協(xié)千新星成像。圖片來源：Abbott et al. 2017[3]第一例被引力波探測器LIGO發(fā)現(xiàn)的引力波事件是雙黑洞并合事件GW150914（GW為gravitational wave的縮寫，數(shù)字為日期編號(hào)）[4]，隨后天文學(xué)家們更加期待能觀測到雙中子星或中子星-黑洞并合的引力波信號(hào)，并從引力波信號(hào)限制的天區(qū)范圍內(nèi)捕獲到完整的千新星信號(hào)。
非常幸運(yùn)的是，在2017年8月17日，美國LIGO和歐洲Virgo第二次觀測運(yùn)行即將收尾之際，由LIGO兩個(gè)探測器和Virgo組成的引力波探測器網(wǎng)絡(luò)探測到了首例來自雙中子星旋近的引力波信號(hào)，即GW170817。約1.7秒后，美國的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡探測到了來自同一個(gè)源成協(xié)（成協(xié)指時(shí)間空間上存在物理關(guān)聯(lián)）的伽馬射線暴信號(hào)。在約11個(gè)小時(shí)后，幾臺(tái)1米級(jí)的望遠(yuǎn)鏡在引力波和伽馬射線暴劃出的31平方度的天區(qū)范圍（相當(dāng)于150個(gè)滿月所占的面積）內(nèi)定位到了可能的光學(xué)對(duì)應(yīng)體，這一發(fā)現(xiàn)隨即被全世界望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測。多信使天文學(xué)觀測再次突顯其意義。
天文學(xué)家們獲取了該光學(xué)對(duì)應(yīng)體豐富的光譜和多波段光變演化數(shù)據(jù)，證實(shí)其特征與千新星理論預(yù)言相一致。引力波觀測對(duì)于天區(qū)的鎖定大大提高了后續(xù)電磁信號(hào)的搜尋效率，這次觀測完美證實(shí)了引力波、伽馬射線暴和千新星的成協(xié)性。
雙中子星引力波GW170817和其電磁對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)使得天文觀測進(jìn)入到了引力波主導(dǎo)的多信使天文學(xué)新紀(jì)元，天文學(xué)家們期待在LIGO和Virgo的第三次觀測運(yùn)行內(nèi)能重現(xiàn)這一教科書式的多信使搜尋，特別是觀測到尚未被探測到的中子星-黑洞并合引力波事件及其成協(xié)的千新星信號(hào)。
2021年6月29日，LIGO和Virgo合作組首次公布了兩例確認(rèn)的中子星-黑洞并合事件，分別是GW200105和GW200115[5]，兩例事件的發(fā)現(xiàn)僅相差10天。前者的引力波信號(hào)來源于一個(gè)約8.9倍太陽質(zhì)量的黑洞與一個(gè)約1.9倍太陽質(zhì)量的中子星并合，而后者黑洞和中子星的質(zhì)量約為5.7和1.5倍太陽質(zhì)量。除了這兩例確認(rèn)的中子星-黑洞并合事件外，合作組在此前還公布了兩例疑似事件，即GW190814和GW190426。前者較小天體的質(zhì)量約為2.6倍太陽質(zhì)量，無法確定它是最大質(zhì)量的中子星還是最小質(zhì)量的黑洞；后者由于信號(hào)較弱，可能只是探測器的噪聲。
至此，在地面引力波探測器探測頻段內(nèi)預(yù)言能觀測到的三類致密星并合事件已全部被發(fā)現(xiàn)。然而令人失望的是，盡管天文學(xué)家們投入了大量的望遠(yuǎn)鏡和觀測資源去搜尋這些事件的電磁對(duì)應(yīng)體，我們卻并沒有再次發(fā)現(xiàn)像GW170817那樣確鑿的成協(xié)電磁信號(hào)，尤其是成協(xié)的千新星信號(hào)。那么，為什么這幾次千新星缺席了？
已公布引力波事件的質(zhì)量分布，加亮的兩例事件為此次證認(rèn)的中子星-黑洞并合事件。圖片來源：ligo.org/Frank Elavsky & Aaron Gelle
在近鄰宇宙中，相比雙中子星并合，我們所探測到的中子星-黑洞并合事件多數(shù)將會(huì)發(fā)生在離我們較遠(yuǎn)的位置上。目前，LIGO和Virgo探測器的靈敏度仍未達(dá)到設(shè)計(jì)靈敏度，而中子星-黑洞事件較遠(yuǎn)的距離也使得引力波探測器對(duì)其空間定位的精度相對(duì)較差。根據(jù)LIGO和Virgo合作組的報(bào)道，當(dāng)GW200105的引力波信號(hào)抵達(dá)地球時(shí)，由于LIGO位于華盛頓州的探測器正在維護(hù)，且Virgo的靈敏度相對(duì)較低，記錄下的信號(hào)太弱，僅起到定位作用。這例事件僅被LIGO位于路易斯安那州的探測器完整捕獲。
合作組對(duì)該事件給出的預(yù)警天區(qū)范圍多達(dá)7720平方度（相當(dāng)于全天17%的大小）。而此后GW200115的引力波信號(hào)則被LIGO和Virgo三個(gè)探測器記錄下來（Virgo記錄的信號(hào)由于信噪比太低，同樣僅起到定位作用），但預(yù)警的天區(qū)范圍仍有908平方度。對(duì)這兩個(gè)事件，引力波同樣給出了誤差相當(dāng)大的距離預(yù)估，均為200-400Mpc（即6.5-13億光年）左右。相比之下，GW170817預(yù)警的天區(qū)范圍僅有31平方度，距離范圍則為32-48Mpc。
目前，巡天能力最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡是位于美國加州的茲維基暫現(xiàn)源搜尋望遠(yuǎn)鏡（Zwicky Transient Facility；后稱ZTF）。ZTF擁有47平方度的觀測視場和遠(yuǎn)強(qiáng)于其他巡天望遠(yuǎn)鏡的探測深度，但它在觀測窗口內(nèi)也只覆蓋這兩個(gè)源48%和22%的預(yù)警定位區(qū)域[6]。引力波探測器對(duì)兩例事件較差的天區(qū)限制，使得后期望遠(yuǎn)鏡對(duì)其電磁對(duì)應(yīng)體的搜尋變得極其困難。
由于這兩例中子星-黑洞并合事件離我們非常遙遠(yuǎn)，它們?nèi)绻梢援a(chǎn)生千新星，千新星也有可能會(huì)非常暗淡。目前天文學(xué)家證認(rèn)的千新星只有GW170817成協(xié)的這一例，雙中子星并合的千新星是否有多樣性，中子星-黑洞并合的千新星是否與雙中子星并合的千新星有較大的區(qū)別，我們目前都不得而知。
理論預(yù)言，千新星的峰值亮度不會(huì)有過于明顯的差別[7]，但中子星-黑洞并合千新星可能在光學(xué)波段會(huì)稍暗一點(diǎn)。假設(shè)所有的千新星都和GW170817成協(xié)的千新星有一樣的峰值光度的話，將它們放到LIGO和Virgo探測到與中子星-黑洞并合事件一樣的位置處時(shí)，峰值光度只有20.5-22星等左右（表示星體亮度的等級(jí)，星等越大，亮度越小）。相比之下，ZTF在理想環(huán)境下300s曝光的深度也僅為22星等。
考慮到千新星抵達(dá)峰值后光度下降速度約為1星等每天（每天變暗約2.5倍），留給天文學(xué)家探測千新星的時(shí)間窗口最多不過1天左右，錯(cuò)過的概率非常高，因此天文學(xué)家們需要建造比ZTF搜尋深度更深、效率更高的巡天望遠(yuǎn)鏡才有機(jī)會(huì)捕捉到快速演化的千新星。
此外，在引力波如此大的天區(qū)范圍內(nèi)，可能有成千上萬比千新星更明亮的恒星、星系和其他暫現(xiàn)源（例如超新星、恒星潮汐瓦解事件），以當(dāng)前巡天望遠(yuǎn)鏡的能力去搜尋快速變暗的千新星，無異于要求天文學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)充滿燈泡的大房間里迅速找到一根即將熄滅的火柴，難度之大可想而知。
對(duì)于中子星-黑洞而言，除了中子星被黑洞潮汐瓦解產(chǎn)生千新星等電磁對(duì)應(yīng)體這種可能，中子星也有可能被黑洞直接吞掉，因而沒有任何的物質(zhì)遺留在黑洞的視界面外。我們也因此想知道，究竟GW200105和GW200115的最終結(jié)局是哪種？
簡單來說，中子星是否能被黑洞潮汐瓦解主要由兩個(gè)物理半徑來決定，分別是黑洞的最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道半徑和中子星的潮汐瓦解半徑。黑洞的最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道半徑RISCO定義為粒子可以穩(wěn)定地繞黑洞運(yùn)行的最內(nèi)圓軌道半徑，粒子進(jìn)入這個(gè)半徑后將會(huì)很快掉入黑洞中。
黑洞的質(zhì)量越小，且擁有越大的沿著軌道方向的自旋，黑洞的最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道半徑越小。中子星的潮汐瓦解半徑Rtidal則取決于其表面受力大小，簡單來說，對(duì)于相同質(zhì)量的中子星，其物態(tài)越硬，越可以支撐半徑更大的中子星，中子星表面受到的自引力大小越小。同樣，質(zhì)量越小的中子星，其自引力越小。因此，如果中子星質(zhì)量越小，且擁有越硬的物態(tài)，其越容易被黑洞潮汐瓦解，擁有更大的潮汐半徑。
當(dāng)RISCO>Rtidal，中子星尚未被潮汐瓦解就已進(jìn)入到最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道半徑內(nèi)了，因此會(huì)被黑洞整個(gè)吞掉；當(dāng)RISCO<Rtidal，中子星在進(jìn)入最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道半徑前已經(jīng)被潮汐瓦解了，會(huì)有大量物質(zhì)拋射到星際空間中。
所以，物態(tài)更硬且質(zhì)量較小的中子星與擁有沿著軌道方向更大自旋的小質(zhì)量黑洞發(fā)生并合更易發(fā)生潮汐瓦解，且產(chǎn)生明亮的電磁對(duì)應(yīng)體。LIGO和Virgo合作組目前公布的雙黑洞并合的目錄中，顯示大部分系統(tǒng)的有效自旋非常小，這也暗示系統(tǒng)中黑洞的自旋通常非常小。原因是由于黑洞的前身星一般質(zhì)量非常大，內(nèi)部角動(dòng)量的傳輸非常有效。
而在恒星膨脹后，包層會(huì)帶走恒星的大部分角動(dòng)量，內(nèi)核的角動(dòng)量也會(huì)很快損失，從而形成較小自旋的黑洞。同時(shí)，恒星死亡時(shí)對(duì)內(nèi)核的反沖有可能改變黑洞自轉(zhuǎn)的方向，使其不再沿著軌道角動(dòng)量方向，造成其投影到軌道方向的自旋會(huì)進(jìn)一步減小。
GW200115的數(shù)值相對(duì)論模擬，視頻來自：LIGO.org/S.V.Chaurasia, T. Dietrich, N. Fischer, S. Ossokine & H. Pfeiffer
我們最近的研究表明[8]，如果并合前的黑洞沒有任何自旋的話，只有小于約6倍太陽質(zhì)量的黑洞和小于約1.5倍太陽質(zhì)量的中子星系統(tǒng)能發(fā)生潮汐瓦解。LIGO和Virgo合作組公布的兩個(gè)中子星-黑洞并合以及另外兩個(gè)疑似事件都顯示出較小的黑洞自旋，與理論預(yù)言基本一致。
非常有意思的是，GW200115這個(gè)事件的黑洞可能擁有一個(gè)與軌道方向相反并存在一定夾角的自旋，其自旋形成的成因值得天文學(xué)家去細(xì)致探討。并合前黑洞較小的自旋造成這四例事件發(fā)生潮汐瓦解的可能性非常低。我們的結(jié)果顯示GW190814和GW200115的中子星將會(huì)直接掉入黑洞中，而GW190426（如果是天體物理起源）和GW200105產(chǎn)生電磁對(duì)應(yīng)體的概率最大分別僅有24%和3%。即使后兩者能產(chǎn)生千新星，預(yù)測的千新星亮度由于過于暗淡，也無法被目前的巡天望遠(yuǎn)鏡所捕獲。
這個(gè)結(jié)果顯示LIGO和Virgo合作組目前發(fā)現(xiàn)的中子星-黑洞并合事件極大概率沒有發(fā)生潮汐瓦解，從而解釋了天文學(xué)家們?yōu)槭裁礇]有在這些事件發(fā)生之后發(fā)現(xiàn)光學(xué)對(duì)應(yīng)體，尤其是并合后的千新星信號(hào)。
根據(jù)我們的預(yù)測，宇宙中大約只有20%的中子星-黑洞并合可以產(chǎn)生電磁對(duì)應(yīng)體，未來天文學(xué)家們?nèi)匀挥袡C(jī)會(huì)可以直接探測到中子星-黑洞并合產(chǎn)生的千新星信號(hào)。張冰教授[9]和戴子高教授[10]最近各自獨(dú)立的工作中，預(yù)測無潮汐瓦解的中子星-黑洞并合有可能產(chǎn)生可觀測快速射電暴或X射線暴等現(xiàn)象，這類現(xiàn)象有待隨未來更多引力波事件的觀測進(jìn)行檢驗(yàn)。
在LIGO和Virgo聯(lián)合組網(wǎng)探測的第二次和第三次觀測運(yùn)行內(nèi)，國內(nèi)由于缺少大型巡天觀測儀器，幾乎沒有參與到引力波電磁對(duì)應(yīng)體的后隨搜尋這場盛宴中（位于南極冰穹A的中國南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2在GW170817并合發(fā)生的25小時(shí)之后成功探測到該千新星的紅外波段輻射），但相信在即將到來的第四次觀測運(yùn)行內(nèi)情況會(huì)有非常大的改善。
引力波觀測的第四次觀測運(yùn)行預(yù)計(jì)將于2022年下半年開始，LIGO和Virgo此時(shí)將達(dá)到各自設(shè)計(jì)探測靈敏度，日本的KAGRA探測器也將加入引力波搜尋之中，四臺(tái)引力波探測器組網(wǎng)將會(huì)極大地提高對(duì)引力波的探測能力。
我們?cè)谥暗墓ぷ髦蓄A(yù)測第四次運(yùn)行期內(nèi)合作組每年最多將能探測到130例中子星-黑洞并合事件，探測器組網(wǎng)的最可能深度和極限深度也將分別達(dá)到約700Mpc和1500Mpc[10]?？紤]到20%的中子星-黑洞并合可能會(huì)發(fā)生潮汐瓦解，仍然會(huì)有25例左右的中子星-黑洞并合引力波事件可能產(chǎn)生千新星信號(hào)。此外，引力波探測器升級(jí)后的組網(wǎng)觀測對(duì)引力波事件預(yù)警天區(qū)范圍的限制也將極大改善，四臺(tái)引力波探測器組網(wǎng)對(duì)個(gè)別中子星-黑洞并合事件給出的定位精度甚至低于10平方度，也就50個(gè)左右的滿月面積。
更令人驚喜的是，國內(nèi)多臺(tái)地面望遠(yuǎn)鏡和空間望遠(yuǎn)鏡即將上新。由云南大學(xué)主持的多通道測光巡天望遠(yuǎn)鏡（Mephisto）和由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中科院紫金山天文臺(tái)共建的大視場巡天望遠(yuǎn)鏡（縮寫WFST）有望在第四次觀測運(yùn)行前開始運(yùn)行工作。Mephisto擁有3.14平方度的視場大小，40s紅波段（r band）理論探測深度為22.4等，且能實(shí)現(xiàn)三個(gè)波段（例如綠、紅和紅外波段）同時(shí)巡天。WFST則擁有6.5平方度視場大小，30s紅波段理論探測深度為22.8等。對(duì)于未來定位精度較好的中子星-黑洞并合引力波事件，兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡均能在較少曝光次數(shù)的條件下，實(shí)現(xiàn)引力波預(yù)警天區(qū)高探測深度的覆蓋，有利于早期電磁對(duì)應(yīng)體的快速搜尋。
在其他波段上，中國已發(fā)射了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（“慧眼”）、引力波暴高能電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測器衛(wèi)星（GECAM），即將發(fā)射天基多波段空間變?cè)幢O(jiān)視器（SVOM）和大視場X射線望遠(yuǎn)鏡（“愛因斯坦探針”，EP）。相信在將要到來的引力波第四次觀測運(yùn)行，中國天文學(xué)家們將會(huì)在引力波電磁對(duì)應(yīng)體搜尋中起到前所未有的重要角色。
作者簡介
朱錦平，北京大學(xué)天文學(xué)系博士生，本科畢業(yè)于華中師范大學(xué)物理學(xué)基地班，研究領(lǐng)域集中在引力波電磁對(duì)應(yīng)體、活動(dòng)星系核吸積盤中天體的爆發(fā)現(xiàn)象、以及超新星爆發(fā)。
吳仕超，德國馬克斯普朗克引力物理研究所博士生，碩士畢業(yè)于北京師范大學(xué)天文系天體物理專業(yè)，研究方向?yàn)橐Σ〝?shù)據(jù)分析。
張冰，美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校物理天文系杰出教授，理學(xué)院副院長，美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士，1997年獲北京大學(xué)天體物理博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)楦吣芴祗w物理，尤其是各種高能瞬變?cè)慈缳ゑR射線暴、快速射電暴及引力波電磁對(duì)應(yīng)體的物理機(jī)制。
