02.27 天文觀測中如何區別雙黑洞合併和雙中子星合併?

講科學堂


天文觀測中如何區別雙黑洞合併和雙中子星合併? 可以從兩個方面(是否有電磁對應體、引力波的頻率)來區別。

其實不管是黑洞,還是中子星,它們合併的過程是一樣的。在合併前,它們彼此繞轉,攪動周圍的時空,像被投入石塊的水面一樣,向四周散發出“時空的漣漪”——引力波。引力波的散發,實際就是這個繞轉系統的引力勢能的向外釋放。因為逐漸帶走它們的能量,兩個星體就會越繞越快、越繞越近。最終兩個星體完全貼在一起,合併成一個新的星體(質量更大的黑洞或者中子星)。

通過LIGO和VIRGO的觀測,已經探測到多例雙黑洞或雙中子星合併觸發的引力波事件。目前來看,雙黑洞合併過程只有引力波的散發,並沒有電磁波段能量的釋放,也就是說不能到該引力波事件的電磁對應體。可能的原因是,合併前的兩個黑洞,它們的所有物質、所有質量都禁錮在它們的視界之內。合併只是吸引力將會將兩個黑洞徹底的吸引到一起,成為一個更大的黑洞。黑洞合併釋放的能量被迅速擴散的引力波帶走的。而雙中子星合併過程中,星體會被潮汐瓦解,形成吸積和噴流。碰撞過程也伴隨元素的核合成過程,形成大量的金等貴金屬元素,甚至還有大量物質向外拋射。這些動作伴隨從伽馬射電、X射線、紫外、光學、紅外到無線電等全部波段的電磁輻射,在觀測上就可以看到這次合併事件的電磁波對應體。

因為中子星的質量要比黑洞小,它們合併產生的引力波頻率也會和黑洞合併產生的引力波頻率不一樣。GW170817之所以說是雙中子星併合,其主要依據是從頻率導出的“chirp mass”(啁啾質量)太小已不能用黑洞解釋。


南極觀星人


兩個中子星合併或碰撞會引發類似Ia超新星的爆發事件,當兩顆中子星的軌道相互彼此緊密接近時,產生的引力波會帶走它們的軌道勢能,使它們隨時間推移加速螺旋接近,直到合併發生。如果合併後的天體質量超過中子星的質量上限,結果就會形成一個黑洞。

雙中子星合併過程會在短時間內創造出超強磁場,併產生包括伽瑪射線暴在內的全波段電磁輻射,同時製造出一系列重元素。

LIGO在2017年8月17日觀測到的引力波事件,據分析就是兩個中子星併合事件,隨後很多天文臺的不同波段的望遠鏡都觀測到了這次中子星併合產生後續電磁現象。

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