垂死恒星向整个宇宙发出引力波

一颗巨大的旋转恒星死亡后，会在中心黑洞周围形成一个物质盘。当这些物质冷却并落入黑洞时，新的研究表明会产生可探测到的引力波。资料来源：奥雷-戈特利布

大质量旋转恒星的死亡造成的时空涟漪可能在LIGO和室女座等项目的探测范围之内。

一颗快速旋转的大质量恒星的死亡会撼动整个宇宙。根据 8 月 22 日发表在《天体物理学杂志通讯》（TheAstrophysical Journal Letters）上的最新研究，地球上的仪器可以感受到由此产生的涟漪--即引力波。这项研究背后的科学家预测，这些新的引力波源正有待发现。

引力波出现在快速旋转的恒星剧烈死亡之后，这些恒星的质量是太阳的 15 到 20 倍。当燃料耗尽时，这些恒星内爆，然后爆炸，这就是所谓的塌缩。这就留下了一个黑洞，黑洞周围环绕着一大片残留物质，这些物质迅速旋入黑洞的巨口。物质的旋转（仅持续几分钟）是如此之大，以至于扭曲了周围的空间，产生了穿越宇宙的引力波。

模拟显示了坍缩事件后新生黑洞周围的物质分布。较暖的颜色表示较高的物质密度。资料来源：Ore Gottlieb

科学家们利用最先进的模拟，确定这些引力波可以被激光干涉引力波天文台（LIGO）等仪器探测到，该仪器在2015年首次直接观测到了来自黑洞合并的引力波。如果被发现，坍缩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，我们所探测到的唯一引力波源来自于两个紧凑天体--中子星或黑洞--的合并，"该研究的领头人、纽约市Flatiron研究所计算天体物理学中心（CCA）的研究员奥雷-戈特利布（Ore Gottlieb）说。"该领域最有趣的问题之一是：有哪些潜在的非合并源会产生引力波，而我们目前的设备可以探测到这些引力波？一个很有希望的答案就是现在的坍缩星。"

戈特利布与CCA访问学者、哥伦比亚大学教授尤里-列文（Yuri Levin）和特拉维夫大学教授阿米尔-列文森（Amir Levinson）一起模拟了大质量旋转恒星坍缩后的条件，包括磁场和冷却率。模拟结果表明，坍缩星会产生强大的引力波，足以让人在大约5000万光年之外就能看到。这个距离还不到黑洞或中子星合并产生的更强引力波可探测范围的十分之一，不过它仍然比目前模拟的任何非合并事件都要强。

戈特利布说，新发现令人大吃一惊。科学家们认为，混乱坍缩会产生杂乱无章的波浪，很难在宇宙的背景噪音中分辨出来。想象一下正在热身的交响乐团，当每个乐手都在演奏自己的音符时，就很难分辨出旋律是来自长笛还是大号。另一方面，两个天体合并产生的引力波会产生清晰而强烈的信号，就像管弦乐队在一起演奏一样。这是因为当两个紧凑的天体即将合并时，它们会在紧密的轨道上跳舞，每转一圈都会产生引力波。这种近乎相同的波的节奏将信号放大到可以被探测到的程度。新的模拟结果表明，塌缩星周围的旋转盘也能发出一起放大的引力波，这与天体合并时的轨道紧凑天体非常相似。

戈特利布说："我原以为信号会混乱得多，因为磁盘是气体的连续分布，物质在不同的轨道上旋转。我们发现，这些磁盘发出的引力波是相干的，而且引力波也相当强。"

坍缩星盘的预测信号不仅强到足以被 LIGO 探测到，而且戈特利布的计算还表明，一些事件可能已经出现在现有的数据集中。宇宙探测器和爱因斯坦望远镜等拟议中的引力波探测器每年可以发现几十个引力波。

引力波研究界已经开始关注寻找这些事件，但这并非易事。这项新研究计算了少量潜在坍缩事件的引力波特征。然而，恒星的质量和旋转轮廓跨度很大，这将导致计算出的引力波信号存在差异。

戈特利布说："原则上，我们最好模拟100万个塌缩星，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。因此，目前我们只能选择其他策略。"

科学家们可以查阅历史数据，看看是否有任何事件与戈特利布模拟的事件相似。不过，由于恒星种类繁多，每颗恒星都可能有独特的信号，因此找到与模拟信号匹配的可能性不大。另一种策略是使用来自近距离坍缩事件的其他信号--例如恒星坍缩过程中发射的超新星或伽马射线暴--然后搜索数据档案，看看在同一时间的天空中是否有任何引力波被探测到。

探测坍缩星产生的引力波将有助于科学家们更好地了解恒星坍缩时的内部结构，还能让他们了解黑洞的特性--这两个课题仍然知之甚少。

戈特利布说："这些都是我们无法探测到的。我们研究黑洞周围这些内部恒星区域的唯一方法就是通过引力波。"

编译自/scitechdaily