在探测到大质量黑洞合并而导致的时空扭曲后,科学家决定将目光投向灾难性相撞导致的其它“宇宙组合”的动力学现象以及所产生的后果。美国劳伦斯·伯克利国家实验室的科学家通过与一支国际小组合作,研发了新的电脑模型,模拟了黑洞与中子星(中子星是恒星爆炸后的超致密物质残余)合并将会上演怎样的景象。


借力超级计算机

在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心,科学家借助爱迪生超级计算机模拟黑洞-中子星合并。此项研究旨在帮助探测器发现和追踪引力波信号。科学家希望在模拟结果的基础上,利用望远镜搜索合并产生的明亮伽玛射线暴以及物质放射性发光。这些奇异现象能够“溢流”到周围空间。


在发表于《经典与量子引力》特刊的研究论文中,伯克利实验室和其他研究人员详细阐述了此次模拟研究。其中一项研究模拟黑洞与中子星合并的最初数毫秒,其它研究模拟合并数秒内形成的物质盘以及合并喷射物质的演化。喷射物质可能包括黄金、铂以及一系列比铁重的放射性元素。


中子星的内部结构以及为宇宙播散重元素过程中可能扮演的角色一直是个未知数。通过模拟中子星在合并过程中如何撕裂,科学家能够获得相关信息,进而揭开它们的神秘面纱。研究论文主执笔人、伯克利实验室核科学部门的博士后研究员弗朗索瓦·弗卡尔表示:“我们正逐渐让模拟接近于真实的物理学研究。不过,我们仍不清楚中子星内部究竟发生了什么。我们需要对复杂的物理学现象进行模拟。这种模拟需要相当强大的运算能力。”

电脑模拟图,展示了黑洞与中子星合并后5.5毫秒形成的一个内部物质盘以及一个宽大的物质热盘。


发现“黑中”合并信号

不久后,弗卡尔将成为新罕布什尔大学的一名助理教授。他指出:“我们正不断努力,对合并产生的引力波信号进行建模。”黑洞-中子星合并导致时空泛起涟漪。研究人员希望提高相关仪器设备的灵敏度,包括先进激光干涉仪引力波天文台(Advanced LIGO),以便能够探测到引力波信号。

2016年2月,LIGO项目科学家证实他们首次探测到引力波。这一次的引力波据信由两个黑洞合并产生,每个黑洞的质量是太阳的30倍左右。弗卡尔指出中子星与黑洞或者另一颗中子星合并也能产生引力波。合并的信号虽然较弱,但与黑洞合并类似。


太空中的反射性“废物”

伯克利实验室核科学部门科学家、加州大学伯克利分校的物理学和天文学副教授丹尼尔·卡森表示,中子星内部的物质可能处于奇异状态,不同于我们在宇宙中其它任何区域观测到的物质。卡森参与了此项模拟研究。


在一些电脑模拟中,中子星被黑洞吞噬。其它模拟中,少量物质被喷射到太空。喷射物质的总质量估计可达到太阳的十分之一左右。卡森指出大部分物质被合并后形成的更大黑洞吞入肚囊,少量物质侥幸逃离,最后变成放射性“废物”。“你能够观测到距地球1亿多光年的物质放射性发光,可持续数天或者数周。”科学家将这种可观测的放射性发光称之为“千倍新星”。


模拟过程中,科学家进行了各种计算,以便让合并过程中的物质逃离可视化。通过对物质的速度、轨迹、数量和类型,甚至于所放射光线的颜色进行建模,天体物理学家可以进一步了解真实世界的合并过程。


中子星的怪异世界

中子星的体积存在极限,具体取决于物质的致密程度。它们是我们迄今为止在宇宙中发现的密度最大的天体之一。观测结果显示,中子星的质量至少可达到太阳的两倍,但它们的直径平均只有区区12英里(约合20公里)。相比之下,太阳的直径在86.5万英里左右(约合140万公里)。科学家认为一旦达到足够大的质量(这个临界点质量可能是太阳的3倍左右),中子星便会塌陷,形成黑洞。


1立方英寸(约合16立方厘米)中子星物质的质量估计可达到100亿吨。正如名字所暗示的那样,中子星主要由不带电荷的亚原子粒子,也就是中子构成。根据一些模型,中子星可能含有长条物质,被形象地称之为“核面条”,由原子核捆绑在一起形成。这种天体可能呈完美球形,拥有坚硬并且光滑度超乎想象的外壳以及一个超强大磁场。它们的旋转速度可达到每分钟4.3万转上下,是纳斯卡赛车发动机转速的5倍左右。


中子星合并后果

模拟结果显示,最初逃离黑洞合并的放射性物质的速度在每秒2万到6万英里左右(约合每秒3.2万到9.6万公里),最快时可达到光速的三分之一。飞行过程中,它们不停摇晃,拖着一条长长的“潮汐尾巴”。卡森表示:“这种奇异物质可能含有大量中子。随着膨胀的物质冷却和减压,中子可能结合在一起,形成最重元素。”


根据这项新研究,科学家有可能发现这些明亮的最重元素。卡森指出:“如果我们能够借助LIGO望远镜捕捉到放射性发光,我们最终将见证宇宙中最重元素的诞生。这将解答天体物理学的一个长期存在的疑问。”在黑洞和中子星合并过程中,绝大多数物质在合并后不到1毫秒便被黑洞吞噬,其它物质幸免于难,可能形成超薄超致密的甜甜圈形物质光晕。


模拟结果显示,这个超薄物质热盘受到黑洞的引力束缚,在合并发生后大约10毫秒形成,集中于大约15到70英里(约合24到112公里)的范围。最初的10毫秒可能对这些物质盘的长期演化具有关键意义。


在数十毫秒到数秒的时间内,热盘向四周展开,将物质喷射到太空。其中一项模拟研究的领导人、加拿大阿尔伯塔大学的物理学助理教授罗德里戈·费尔南德斯表示:“大量物理过程(从磁场到粒子交互,再到核反应)以复杂的方式结合反应,驱动这个物质盘的演化。”


费尔南德斯曾是加州大学伯克利分校的一名博士后研究员。他指出这一次的模拟使用了爱迪生超级计算机,对了解这个盘如何喷射物质至关重要。此外,这项研究还能为如何对这些物质进行观测提供一系列线索。

黑洞-中子星合并模拟“快照”。研究中,科学家对合并发生后43毫秒内的景象进行了模拟。


有望发现“千倍新星”

卡森表示在对夜空进行观测时,天文学家有望发现中子星合并产生的放射性“千倍新星”。在LIGO的数据中,他们并未发现这种现象。“通过改进模型,我们能够为观测者提供更多信息,让他们知道哪些闪光才是他们渴望搜寻的信号。”在参与美国能源部的E级计算项目时,卡森负责创建先进的中子星合并和超新星模型。


弗卡尔表示随着引力波探测器灵敏度的提高,科学家有望探测到中子星表面一个微小突起产生的连续信号,或者来自理论中存在的一维物体“宇宙弦”的信号:“我们有望观测到连都不敢想的宇宙现象。”


来源:https://phys.org/news/

责编:钟狼将 陈田



黑洞的形成


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作者:佚名
来源:漫步宇宙