天体物理模拟预测坍缩恒星将产生新的可探测引力波源

一颗巨大、快速旋转的恒星的死亡会震动整个宇宙。根据8 月 22 日发表在《天体物理学杂志快报》上的一项新研究，由此产生的涟漪(即引力波)可能会被地球上的仪器感受到。研究人员预测，这些新的引力波源有待发现。

引力波是在质量为太阳 15 至 20 倍的高速旋转恒星剧烈死亡后产生的。这些恒星耗尽燃料后会内爆，然后爆炸，这一事件被称为坍缩星。这留下一个黑洞，周围环绕着一大盘剩余物质，这些物质会迅速旋转进入黑洞的嘴里。物质的螺旋运动(仅持续几分钟)非常剧烈，以至于扭曲了周围的空间，产生了穿越宇宙的引力波。

科学家们利用尖端的模拟技术确定，这些引力波可以通过激光干涉引力波天文台 (LIGO) 等仪器探测到。LIGO 于 2015 年首次直接观测到黑洞合并产生的引力波。如果被发现，这些由坍缩星驱动的引力波将有助于科学家了解坍缩星和黑洞神秘的内部运作。

“目前，我们探测到的唯一引力波源来自两个致密物体的合并——中子星或黑洞，”这项研究的负责人、纽约市 Flatiron 研究所计算天体物理中心 (CCA) 的研究员 Ore Gottlieb 说。

“该领域最有趣的问题之一是：哪些潜在的非合并源能够产生我们可以用现有设施探测到的引力波?现在一个有希望的答案是坍缩星。”

戈特利布与 CCA 访问学者、哥伦比亚大学教授尤里·莱文和特拉维夫大学教授阿米尔·莱文森一起模拟了巨大旋转恒星坍缩后的情况，包括磁场和冷却速率。模拟显示，坍缩星可以产生足够强大的引力波，在大约 5000 万光年外都能看到。这个距离还不到黑洞或中子星合并产生的更强大引力波可探测范围的十分之一，但它仍然比迄今为止模拟的任何非合并事件都要强。

戈特利布表示，新发现令人惊讶。科学家们原本认为，混乱的坍缩将产生一堆杂乱的波，在宇宙的背景噪音中很难分辨出来。想象一下管弦乐队正在热身。当每个音乐家演奏自己的音符时，很难区分出是来自一支长笛或大号的旋律。

另一方面，两个物体合并产生的引力波会产生清晰、强烈的信号，就像管弦乐队一起演奏一样。这是因为当两个致密物体即将合并时，它们会在紧密的轨道上跳舞，每次旋转都会产生引力波。这种近乎相同的波的节奏将信号放大到可以检测到的水平。

新的模拟表明，坍缩星周围的旋转盘也可以发射一起放大的引力波，非常像合并中绕轨道运行的致密物体。

“我原以为信号会更加混乱，因为圆盘是由气体和物质连续分布在不同的轨道上旋转而成的，”戈特利布说，“我们发现这些圆盘发出的引力波是连贯发射的，而且相当强。”

不仅预测的塌缩星盘信号强度足以被 LIGO 探测到，而且 Gottlieb 的计算表明，一些事件可能已经存在于现有数据集中。拟议中的引力波探测器(如宇宙探测器和爱因斯坦望远镜)每年可以发现数十个。

引力波研究界已经对寻找这些事件产生了兴趣，但这并不是一件容易的事。这项新研究计算了少量潜在坍缩星事件的引力波特征。然而，恒星的质量和自转曲线范围很广，这会导致计算出的引力波信号存在差异。

“原则上，我们最好模拟 100 万颗塌缩星，以便能够创建一个通用模板，但不幸的是，这些模拟非常昂贵，”戈特利布说。“所以，现在，我们必须选择其他策略。”

科学家可以研究历史数据，看看是否有任何事件与戈特利布模拟的事件相似。然而，考虑到恒星的多样性，每颗恒星都可能具有独特的信号，找到与模拟信号相匹配的信号可能不太可能。

另一种策略是利用来自附近坍缩星事件的其他信号(例如恒星坍缩期间发射的超新星或伽马射线爆发)，然后搜索数据档案以查看是否在同一时间在天空的该区域探测到任何引力波。

探测坍缩星产生的引力波将有助于科学家更好地了解恒星坍缩时的内部结构，也能让他们了解黑洞的特性——这两个课题目前还不太清楚。

“这些东西我们用其他方法无法探测到，”戈特利布说。“我们研究黑洞周围恒星内部区域的唯一方法是通过引力波。”