天文學家發現“恒星墳場”

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原文鏈接：https://www.space.com/astronomy/gravitational-waves-reveal-stellar-graveyard-packed-with-neutron-star-and-black-hole-mergers

編譯：雷豐圖

校對：牧夫天文校對組

后期：王啟儒

責任編輯：王啟儒

天文學家通過引力波——這種時空中的微小漣漪最早由愛因斯坦在1915年預言——發現了一個"恒星墳場"。這里擠滿了黑洞與中子星等極端恒星殘骸的融合景象，這些致密天體誕生于大質量恒星在超新星爆發中走向死亡的時刻。

此次探測還捕捉到迄今最大規模的雙黑洞合并信號——這些引力波領域的"最強音"，同樣印證了恒星殘骸間的碰撞融合現象。

卡費拉（Calvera）星系的概念圖——這個奇特的天體系統包含一顆高速逃逸的脈沖星與超新星遺跡的詭異組合。

Credit: (Main) Robert Lea (created with Canva) (Inset) LIGO-Virgo-KAGRA Aaron Geller/ Northwestern)

通過LIGO、Virgo和KAGRA三大引力波探測器聯合觀測，科學家將黑洞與中子星混合合并的已知案例從原先的1例增加至2例。其它合并事件則更為普遍，在2023年5月至2024年1月期間的觀測中，研究團隊共捕捉到128起宇宙合并事件，相當于平均每兩天就記錄到一次天體碰撞的引力波信號。

格拉斯哥大學引力研究所團隊負責人丹尼爾·威廉姆斯表示："這次數據更新充分展現了國際引力波探測網絡與先進分析技術的卓越能力——我們甚至能從極其微弱的數據波動中捕捉到宇宙的脈動。"

威廉姆斯補充道："在為期兩年的第四輪觀測中，僅前段數據就已拓展了我們對宇宙墳場的認知邊界——特別是觀測到了迄今最龐大的黑洞系統。"

通過引力波探測到的恒星墳場中黑洞與中子星質量分布圖譜

Credit: LIGO-Virgo-KAGRA/ Aaron geller/ Northwestern

這項突破性研究不僅幫助科學家更清晰地勾勒恒星生死循環如何孕育黑洞與中子星，更揭示了黑洞通過碰撞合并實現質量增長的宇宙規律。研究團隊成員克里斯托弗·貝里生動比喻道："正如古生物學家通過恐龍化石復原遠古巨獸，我們正通過恒星死亡后留下的黑洞與中子星殘骸，解讀宇宙中最壯麗的生命循環史詩。"

貝里進一步闡釋道："質量越大的恒星壽命越短暫，傳統觀測手段難以捕捉其演化過程。這些恒星誕生環境千差萬別。有些恒星形成于核星團等致密星群中，與數百萬顆恒星緊密相鄰。在這種高密度環境中，我們推測雙黑洞合并后的殘余黑洞可能會捕獲新伴侶進行二次融合，從而形成更龐大的黑洞系統。"

貝里指出，通過引力波瞬變目錄第四版（GWTC-4.0）的數據，LIGO-Virgo-KAGRA科研團隊發現關鍵線索：部分黑洞信號可能源自此前合并形成的次級黑洞。"區分由恒星坍縮形成的原生黑洞與合并產生的次級黑洞，將幫助我們破解恒星的生存奧秘及其在宇宙中的分布規律，"貝里補充道，"這就像通過DNA溯源來重建生命演化樹。"

一張展示引力波探測事件的時序分布圖，清晰標注了各次觀測運行期間對應的發現記錄。

Credit: Derek Davis/ Rhiannon Lidall/ Caltech/ LIGO-Virgo-KAGRA

這項研究不僅勾勒出超大質量恒星的生命軌跡，更將成為破解宇宙膨脹之謎的新鑰匙。

團隊成員瑞秋·格雷解釋道："宇宙猶如不斷膨脹的巨幕，而哈勃常數正是丈量其膨脹速度的標尺。黑洞合并的奇妙之處在于，我們可以直接從觀測中推算出它們的距離。每一次黑洞碰撞的發生，都在為測算宇宙膨脹速率提供關鍵坐標。"她繼續闡述道，"通過整合多次合并事件的數據，我們能更精確測算哈勃常數，從而破解現代天文學的核心謎題，即宇宙究竟在以多快的速度膨脹？"最新數據中包含迄今探測到的最強烈信號——代號GW230814的引力波信號。此類發現也為驗證愛因斯坦1915年提出的廣義相對論提供了絕佳樣本。

團隊科學家約翰維奇解釋道："信號越強烈，我們檢測潛在偏差的精度就越高。至今為止，愛因斯坦的理論通過了所有檢驗，但我們仍在持續深挖！這類分析必須依靠多臺引力波探測器的協同觀測，才能實現信號交叉驗證。"這一突破得益于2020年起對LIGO、Virgo和KAGRA三大探測器的靈敏度升級，它們分別位于美國、意大利和日本，共同織就了一張捕捉宇宙漣漪的全球監測網。

值得注意的是，在GW230529和GW230518這兩個黑洞與中子星混合合并的引力波事件中，科學家并未觀測到預期伴隨的電磁輻射閃光。

團隊負責人威廉姆斯總結道："雖然此次我們僅捕捉到引力波信號，但隨著薇拉·魯賓望遠鏡等新一代觀測設備的投入使用，未來實現引力波與電磁信號聯合探測的可能性正在大幅提升。"

——The End——

『天文濕刻』 牧夫出品

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蝴蝶星云IRAS 04302

Image Credit: NASA, ESA, CSA, Webb; Processing: M. Villenave et al.

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