02.27 天文观测中如何区别双黑洞合并和双中子星合并?

讲科学堂


天文观测中如何区别双黑洞合并和双中子星合并? 可以从两个方面(是否有电磁对应体、引力波的频率)来区别。

其实不管是黑洞,还是中子星,它们合并的过程是一样的。在合并前,它们彼此绕转,搅动周围的时空,像被投入石块的水面一样,向四周散发出“时空的涟漪”——引力波。引力波的散发,实际就是这个绕转系统的引力势能的向外释放。因为逐渐带走它们的能量,两个星体就会越绕越快、越绕越近。最终两个星体完全贴在一起,合并成一个新的星体(质量更大的黑洞或者中子星)。

通过LIGO和VIRGO的观测,已经探测到多例双黑洞或双中子星合并触发的引力波事件。目前来看,双黑洞合并过程只有引力波的散发,并没有电磁波段能量的释放,也就是说不能到该引力波事件的电磁对应体。可能的原因是,合并前的两个黑洞,它们的所有物质、所有质量都禁锢在它们的视界之内。合并只是吸引力将会将两个黑洞彻底的吸引到一起,成为一个更大的黑洞。黑洞合并释放的能量被迅速扩散的引力波带走的。而双中子星合并过程中,星体会被潮汐瓦解,形成吸积和喷流。碰撞过程也伴随元素的核合成过程,形成大量的金等贵金属元素,甚至还有大量物质向外抛射。这些动作伴随从伽马射电、X射线、紫外、光学、红外到无线电等全部波段的电磁辐射,在观测上就可以看到这次合并事件的电磁波对应体。

因为中子星的质量要比黑洞小,它们合并产生的引力波频率也会和黑洞合并产生的引力波频率不一样。GW170817之所以说是双中子星并合,其主要依据是从频率导出的“chirp mass”(啁啾质量)太小已不能用黑洞解释。


南极观星人


两个中子星合并或碰撞会引发类似Ia超新星的爆发事件,当两颗中子星的轨道相互彼此紧密接近时,产生的引力波会带走它们的轨道势能,使它们随时间推移加速螺旋接近,直到合并发生。如果合并后的天体质量超过中子星的质量上限,结果就会形成一个黑洞。

双中子星合并过程会在短时间内创造出超强磁场,并产生包括伽玛射线暴在内的全波段电磁辐射,同时制造出一系列重元素。

LIGO在2017年8月17日观测到的引力波事件,据分析就是两个中子星并合事件,随后很多天文台的不同波段的望远镜都观测到了这次中子星并合产生后续电磁现象。

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