最小黑洞與最大中子星的質量間隙會給理論帶來什麼驚喜

2019年8月14日,一束引力波接二連三地撞擊LIGO和VIRGO等天文臺。

檢測到的引力波的形狀,合併物體的質量被計算為23。2和2。6個太陽質量。從各個天文臺收到訊號的時間分析,該事件的位置可以縮小到天空中的一些小弧線。不幸的是,在這麼大的區域裡有無數的星系,所以一開始我們不知道合併發生在哪個星系。

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儘管如此,許多望遠鏡還是迅速旋轉以掃描該區域,希望能發現一絲微弱的閃光——這是合併伴隨的爆炸性事件,那束光攜帶了大量關於碰撞時的資訊。但是這次事件沒有這麼幸運,我們沒有找到電磁對應物。這可能是因為事件發生的位置離我們太遠,光到達我們這裡已經太微弱

以至

於無法看到。也有可能是碰撞本身沒有伴隨的爆炸,如果兩個物體都是黑洞,或者一個較小的中子星被黑洞吞噬,情況就是如此。

在此次引力波事件中,2。6個太陽質量的天體引起了科學家的興趣,因為它處於黑洞與中子星的質量間隙中。因為我們沒有探測到光訊號,所以無法確定它到底是黑洞還是中子星。所以我們不禁想要問:中子星和黑洞的質量邊界到底在哪裡?它的出現會給我們帶來怎樣的新想法?

中子星

中子星是大質量恆星爆炸為超新星後留下的核心,它的緻密性使中子星的表面重力比地球強約1000億倍。科學家認為,在中子星起床是非常困難的,更困難的是從中子星逃逸。中子星的逃逸速度高達光速的一半,事實上中子星已經處於黑洞邊緣了,只要你能往中子星內再塞進一點物質,逃逸速度就會增加,它就有可能會變成黑洞。

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在普通物質的情況下,我們不能僅僅增加質量來製造黑洞。因為當你這樣做的時候,物體的半徑也會增加,表面離中心會更遠,我們就不能得到額外質量的全部影響了。但中子星不是由普通物質構成的,那個中子球基本上是一個量子力學物體,它的一個奇怪特性是:當你增加質量時,它的尺寸實際上會變小。

我們可以把中子星假想的事件視界放置在其內部。當我們增加中子星的質量時,這個視界會擴大,而中子星的半徑會縮小。當中子星的半徑與視界重疊時,它就變成了一個黑洞。這個原理已被廣泛接受,但我們仍然不知道中子星在變成黑洞之前的質量有多大。這不是因為我們的理論是錯誤的,而是因為理解中子星中奇異物質狀態所需的計算是可怕的,而且還有一些我們所不知道的細節。中子星中物質狀態的細節決定了中子星大小隨質量的變化。

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質量間隙

現在,如果我們能夠瞥見中子星的內部結構,我們就能更好地做出這一理論預測,這個機會就出現在中子星合併的時候。在2017年探測到的中子星合併事件中,我們透過它們盤旋在一起時的扭曲方式,以及碰撞後噴出的物質,瞭解了很多關於這些天體結構的資訊。我們還在伽馬射線爆發中看到了這些合併的結果。

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有了這些資訊,我們估計最大的中子星質量在2。2到2。4個太陽質量之間。對於中子星質量的直接測量來自脈衝星,大多數脈衝星更接近約1。4個太陽質量的最小中子星質量,迄今為止測量到的最大質量約為2。1個太陽質量。所有這些數字都比2。6個太陽質量低得多。如果它是中子星,那麼它將置於理論極限,並可以告訴我們更多關於內部物質狀態的資訊。如果它是一個黑洞,那麼它更令人驚訝:到目前為止,我們從未觀察到質量低於5個太陽質量的黑洞,

最大的中子星和最小的黑洞之間似乎存在質量差距,這看起來很奇怪,但卻是我們所期望的。當大質量恆星死亡並且核心太大而不能成為中子星時,就會形成新的黑洞。但是我們卻沒有得到從中子星到黑洞的質量平滑過渡,這是因為當恆星核心坍縮形成中子星時,大部分物質會以超新星形式反彈,但如果那顆中子星變成了黑洞,一些物質就會被重新吸入黑洞之中,這大大增加了黑洞的質量。根據我們對恆星演化的計算和模擬,5個太陽質量的最小黑洞似乎是正確的。

最小黑洞與最大中子星的質量間隙會給理論帶來什麼驚喜

所以2。6個太陽質量的黑洞很難得到解釋,如果我們發現這個物體不可能是中子星,那麼我們將不得不設計新的關於恆星死亡的模型,或者找到其他方法來製造超小黑洞。

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