黑洞和中子星合并后，科学家们又发现了新的宇宙之谜

当两个巨大的物体碰撞时，它们会在时空结构中发出涟漪。

这些涟漪被称为引力波，它们是已经发生的合并的标志。

多年来，研究人员观察到数十对黑洞的谋杀和一对中子星对的合并。但在2021年6月，科学家们第一次瞥见了距离地球约9亿光年的黑洞和中子星的巨大合并。而且是两次。

第一次合并涉及到一个质量约为太阳9倍的黑洞和一颗质量约为太阳2倍的中子星。

10天后，第二次碰撞被检测到涉及到一个黑洞，它的质量几乎是太阳的6倍，吞噬了一个15倍太阳质量的中子星。

该观测员还预测，在距离地球10亿光年的范围内，每个月都会发生一次黑洞和中子星的合并。

尽管碰撞观测为即将到来的发现打开了许多新的大门，ligo和virgo还不足以解开所有的宇宙之谜。

所以请记住，virgo和kagra这两个ligo探测器都在为明年夏天开始的另一组观测做准备。

据我们所知，我们周围看到的一切都是由四种基本力量控制的。

重力，电磁力，强核力和弱核力。

将所有这些力(重力除外)结合在一起的理论是物理学的标准模型。

尽管几十年来进行的实验已经验证了标准模型，但它还不完整。

例如，它不能把引力和其他三种力统一起来，也不能解释暗物质和暗能量，而暗物质和暗能量占可观测宇宙的96%。和。

这就是为什么物理学家几十年来一直在寻找第五种力，而找到它们的一个地方就是底夸克或美夸克的衰变。它是一种不稳定的粒子，在衰变为其他粒子之前，它仅存活15万亿秒。

当一个美丽的软木塞腐烂时，它会通过弱力的影响转变成一组更轻的粒子，比如电子。

因此，大自然的新力量让我们了解它的方式之一就是微妙地改变美夸克衰变成不同类型粒子的频率。

根据标准模型，软木在衰变时不应该区分电子和介子。介子是电子的碳复制体。除了它重200倍之外，美夸克衰变成介子的速率必须等于电子。但在21年3月，研究人员发现介子衰变只是发生了。大约85%是电子衰变。

大自然似乎更喜欢一种衰变通道而不是另一种，这违反了莱夫顿普世定律。

物理学家相信未知力一定是在大学里打破了左定律。我们可能即将在物理学上取得重大突破，但还需要更多的数据来证实这种新力量的存在。

尽管旅行者一号是离地球最远的航天器，但它为我们提供了有趣的深空信息。这正是它在5月20日所做的。

这是人类探测到的最远的人造物体，等离子体波和恒星内部空间的稳定嗡嗡声出乎意料。这种嗡嗡声是持久的，持续时间很长，大约3000赫兹的低频消失。

等离子体是一种热的、在电离气体中扩散的气体，由从原子中剥离出来的电子组成，也存在于星际介质中。电子在等离子体中的运动导致热激发等离子体振荡或准热理想。

多亏了它的内侧等离子体波系统，旅行者一号已经能够很好地测量这些星际介质中的等离子体振动。

因为旅行者一号已经探测到大约8个不同的等离子体振荡事件，其长度从几天到一整年不等。

这些事件主要是由于电子运动的不稳定性造成的，因为它们与太阳产生的激波相互作用。然而，在2017年，旅行者1号开始在高能事件之外探测到微弱、稳定和持久的等离子体信号。

新探测到的信号比等离子体振荡事件要窄。它的频率稳定在3000赫兹，带宽限制在40赫兹。此外，这一微弱信号持续了近3年，是迄今为止记录到的最长的连续等离子体信号。

在过去的三年里，旅行者1号航行了大约10个天文单位的距离，也就是大约93亿英里。但信号保持不变，因为测量到的信号刚好高于“旅行者一号”等离子体波系统仪器的噪声阈值。研究人员没想到会发现类似的东西。

虽然这种信号很安静，但比科学家之前认为的要强。他的发现将“旅行者一号”的能力推到了它之前认为的极限。此外，该信号的持续存在表明，旅行者可能在未来也会继续探测到它。

虫洞是时空的入口，是长途星际旅行的捷径，起源于爱因斯坦的广义相对论。虫洞是一个高度弯曲的时空区域，它连接着空间中两个极其遥远的点，就像一个隧道。然而，这些奇异的结构是理论上的，在自然界中还没有被直接观察到。

此外，数学表明，这种虫洞会非常不稳定，如果有任何东西试图穿过它们，它们最终会立即坍塌，穿过的物质会消失。虫洞提供给宇宙中其他地方的连接将被永远切断。以前的模型表明，保持热洞开放的唯一方法是用一种负质量的奇异形式的物质。但在1921年，两种不同的理论被提出，根据它们，时间旅行实际上可以通过虫洞实现。如果我们遵循一些约束条件，对正常物质也是如此。所以在第一种方法中，发表于2021年3月，研究人员选择了一种相对简单的经典方法。他们将相对论的元素与量子力学和经典电动力学结合起来。

他们发现，如果我们把狄拉克方程纳入我们的数学，它将允许虫洞的存在，可以被物质穿越，比如电子。

提供电荷和虫洞质量之间的比率超过了一定的限制。

根据这个理论，即使是电磁波也可以穿越时空中的小隧道。

然后在第二种方法中，发表于21年9月，科学家们使用了一种被称为广义混合度规则帕拉蒂尼重力的微调形式，使虫洞可以通过。

虽然这个理论建立在爱因斯坦的广义相对论上，但它允许物质、能量和空间在时间上有更多的灵活性和关系。人们发现，用普通物质的双层薄壳将虫洞的入口分层，这样就可以在不使用任何外来物质和负能量的情况下通过虫洞。

尽管这两种方法还只是在论文中，研究人员希望在未来通过实验来验证他们的理论。如果这些理论被证明是正确的，那么它不仅会让我们的科幻梦想成真，而且还会挑战我们目前对宇宙的理解。

霍金给出了他的一个定理，根据这个定理，黑洞的大小不能随着时间的推移而减小。

这个定理，被称为黑洞面积定理，适用于一个类似的热动力学原理，在trumpy不能随着时间减少。

在21年7月提出41年后，科学家们通过分析两个黑洞产生的引力波，终于证明了斯蒂芬·霍金的黑洞面积定律。

如果霍金的面积定理成立，那么合并形成的新黑洞的视界面积，不应该小于其母黑洞的总视界面积。综上所述，研究人员将ligo记录的引力波数据分成两类，一种是暗物质前后的引力波数据。

后来，他们用这两种测量方法来计算每一类黑洞的表面积，并发现合并后的黑洞的总表面积大于两个较小黑洞的总和。

这意味着事件的总视界面积在合并后并没有减少。这一结果的可信度为95%，从而巩固了霍金的区域定律。然而，尽管这是一个突破，但这一证实却与霍金辐射的另一个关键理论相矛盾，霍金辐射理论认为黑洞随着时间的推移会自发地发出热辐射。

记住这一点，研究小组的目标是测试未来的引力波信号，看看它们是否可能进一步证实霍金定理或新物理学的种子。

如果你有兴趣在家学习天体物理学，一定要查看我们的天体物理学基础系列，链接在描述中给出。这个系列从最基本的层面解释一切，从e - m光谱到望远镜，从恒星的诞生到黑洞和星系的形成。

中子星是宇宙中密度最大的天体之一，如果我们半径为70万公里的太阳是一颗中子星，那么它的质量将被凝聚成半径约为12公里近乎完美的球体。当两颗中子星碰撞并合并成一颗超大质量中子星时，新天体核心中的物质变得非常热和致密。根据物理计算，这些条件可能导致强子，如中子和质子，溶解到它们的夸克和胶子成分中，从而产生夸克-胶子等离子体。

2017年首次发现合并中子星发出的引力波信号，该信号不仅提供了有关引力性质的信息，还提供了有关物质在极端条件下的行为信息。然而，当这些引力波在2017年首次被发现时，它们并没有被记录到汇合点以外。这就是法兰克福物理学家的研究开始的地方，他们模拟了合并中子星和合并的产物，以 探索 从强子到夸克-胶子等离子体转变的条件，以及这将如何影响相应的引力波。

结果是：在合并的特定后期阶段，发生了到夸克-胶子等离子体的相变，并在引力波信号上留下了明显的特征信号。歌德大学卢西亚诺·雷佐拉(Luciano Rezzolla)教授对此深信不疑：与之前的模拟相比，我们在引力波中发现了一个明显更清晰的特征。如果这个特征出现在中子星合并中接收到的引力波中，将有一个明确的证据，证明目前的宇宙中存在夸克-胶子等离子体。

探测到GW170817中子星双星系统中的引力波，为研究核饱和密度以上物质的性质打开了一扇新窗口。密度达到核物质的几倍，温度高达100 MeV，这样的合并也代表着从受限强子物质到非禁闭夸克物质的相变(PT)潜在地点。虽然在GW170817中缺乏合并后的信号，使得无法对这种情况进行实验评估，但两项理论研究已经 探索 了中子星双星系统合并中PTS的合并后引力波特征。

研究通过呈现PT发生的新特征来扩展和完善这幅图，更具体地说，使用完全广义相对论流体动力学模拟，并采用包括PT的适当构造的状态方程，提出了“延迟PT”的出现，即合并后一段时间才发展起来的PT，并产生具有夸克物质核心的亚稳天体，即超质量混合星。因为在这种情况下，合并后的信号，显示出两个截然不同的基本引力波频率（PT之前和之后）相关的信号，有望成为迄今为止最强和最干净的信号之一，也是目前宇宙中产生夸克物质的最好信号之一。

自从爱因斯坦提出广义相对论以来，这一理论被越来越多的观测现象所证明。因为爱因斯坦提出广义相对论是基于等效原理，这类似于一种假设。而随着越来越多观测结果符合广义相对论的结论，这一理论的地位更加稳固了。

广义相对论的一个重要的推导结果就是，预言了引力波的存在，然而引力波引起的效应微乎其微，要检测引起足够观测效应的引力波的存在，需要建造更高灵敏度的干涉仪。激光干涉引力波天文台（LIGO）就是出于这样的原因建造的，它也因为首次观测到了引力波的存在而著名。

在首次发现两个黑洞合并产生的引力波之后，科学家又相继发现了多个引力波信号，其中包括了一种新的引力波产生源，两个中子星合并。而根据一项新发现的结果，引力波产生源又多了一种，黑洞和中子星合并。

引力波的源头距地球10亿光年，不过这是两次引力波探测的结果，一次是由一个89倍太阳质量黑洞和19倍质量的中子星合并产生，碰撞发生的地方位于9亿光年之外。另一次则是两个质量稍小一些的黑洞和中子星合并，引力波传播了10亿光年距离才到达地球。

值得注意的是，黑洞和中子星因为质量相差较大，两者合并并不是像两个中子星碰撞那样，产生大量重元素，而是黑洞直接吞并了中子星。合并过程中没有产生电磁波，可能是电磁波不能从视界中逃逸出来导致的。一般情况下，引力波产生很难被检测到，因为两个质量太小的天体合并，产生的引力波效应很微弱。

比如说宇宙加速膨胀就难以用广义相对论来进行研究，而且受限于引力存在的尺度范围，当研究量子尺度的引力理论时，出现了不可调和的矛盾，这暗示着广义相对论是更准确理论的近似。不过目前人们对于宇宙的了解还很少，广义相对论得出的结论已经够用了。

黑洞合并或者中子星合并，一个特点就是位置距离地球往往达到数亿光年之远。而像黑洞吞并大质量恒星，可能几千万光年远的地方就有，这样可以同时结合多种观测设备进行观测，获得更详细的数据。引力波的发现有力地支持了广义相对论，对于研究宇宙起源也有重要意义。关于宇宙早期的研究受到观测上的限制，电磁信号大部分都没法保留下来，而引力波有很强的穿透效应，能够保留早期宇宙的原始信息。

作为广义相对论所得出的一种特殊天体，黑洞因为存在事件视界，人们无法获知有关黑洞内部的信息，引力波却能轻松穿透黑洞内部。借助引力波研究黑洞将揭开关于黑洞内部的更多谜团，可见引力波确实有着很重要的研究意义。广义相对论提出至今，解释了很多困扰天文学家的谜团，不过也存在难以解决的问题。

比如说宇宙加速膨胀就难以用广义相对论来进行研究，而且受限于引力存在的尺度范围，当研究量子尺度的引力理论时，出现了不可调和的矛盾，这暗示着广义相对论是更准确理论的近似。不过目前人们对于宇宙的了解还很少，广义相对论得出的结论已经够用了。

暗示着广义相对论是更准确理论的近似。不过目前人们对于宇宙的了解还很少，广义相对论得出的结论已经够用了。

作为宇宙事件之一的中子星合并，其影响也是范围广大，同时也是黑洞诞生的方式之一！测量两颗正在合并中子星引力波的机会，可以回答有关物质结构的一些基本问题。在合并过程中极高的温度和密度下，科学家们已经推测出一种相变，在这种相变中中子溶解成它们的组成夸克和胶子。两个国际研究小组报告了他们对引力波中这种相变特征的计算结果，其研究发表在《物理评论快报》上。夸克，物质最小的组成部分，在自然界中从不单独出现。它们总是紧紧地束缚在质子和中子中。然而，和太阳一样重的中子星，却只有法兰克福这样的城市那么大，其核心密度如此之大

博科园-科学科普：以至于可能会发生中子物质向夸克物质的转变，物理学家把这个过程称为相变，类似于水的液-气相变。特别是，这种相变在理论上是可能的，当中子星合并形成一个质量非常大的超稳定物体，密度超过原子核，温度是太阳核心温度的10000倍。中子星合并发出的引力波测量可以作为外层空间可能发生相变的一种信使。相变应该在引力波信号中留下特征特征。来自法兰克福、达姆施塔特和俄亥俄(歌德大学/FIAS/GSI/肯特大学)的研究小组，以及来自达姆施塔特和弗罗茨瓦夫(GSI/弗罗茨瓦夫大学)的研究小组使用现代超级计算机计算出这个签名可能是什么样子。

用超级计算机计算中子星合并的模拟，不同的颜色显示了质量密度和温度在合并发生后的一段时间以及物体坍缩成黑洞之前，夸克预计会在温度和密度较高的地方形成。：C Breu, L Rezzolla

为此，他们使用了多种相变理论模型。如果在实际合并后发生更多的相变，那么在合并后的对象中会逐渐出现少量夸克。歌德大学理论天体物理学教授Luciano Rezzolla：借助爱因斯坦方程，我们第一次能够证明，结构上的这种细微变化将产生引力波信号的偏差，直到新形成的大质量中子星在自身的重量下坍缩，形成黑洞。在Darmstadt的GSI Helmholtzzentrum fur schwerionschung博士的计算机模型中，一个相变已经在合并之后直接发生：一个夸克物质的核心在中心物体的内部形成。鲍斯文说：我们成功地证明，在这种情况下，引力波信号的频率将发生明显的变化。

因此，确定了中子星合并引力波相变的一个可测量标准。并不是所有引力波信号的细节都可以用电流探测器测量到。然而，它们将成为可观测的下一代探测器，以及与我们相对接近的合并事件。互补的方法来回答这个问题夸克物质提供两个实验：在GSI现有的HADES装置上碰撞重离子，在GSI目前正在建设的反质子和离子研究设施(FAIR)上碰撞未来的CBM探测器，将产生压缩核物质。在碰撞中，有可能产生类似中子星合并时的温度和密度。这两种方法都对核物质相变的发生及其基本性质提供了新见解。

不同放射性重元素含量的岩石行星。图一含量过多，导致火山过于活跃，磁场无法形成；图二含量适中，行星最终和地球相似；图三含量过少，导致地质不活跃。 Melissa Weiss

核辐射可能是行星上是否有生命的关键因素。在核辐射的产生过程中，热量会被释放出来，而这对于一个岩石质的行星能否拥有板块构造，能否拥有适量的火山活动，乃至是否拥有大气层至关重要。

不仅如此，通过缓慢衰变产生核辐射的放射性重元素含量还决定了行星是否能够拥有一个液态金属核，以及这个核是否能够有效运作，产生足够强大的磁场，保护行星的大气层免遭星风剥离，以及行星表面免遭宇宙射线的伤害。

加州大学圣克鲁兹分校的地球行星科学教授Francis Nimmo等人通过计算机数据模拟发现，假如地球内部放射性重元素衰变产生的热量过多，地核发动机就无法一直运行下去。

这是因为大部分放射性重元素比如钍和铀都聚集在地幔中，而过热的地幔会阻止液态地核以足够快的速度失热，导致地核内的液态金属无法形成对流，进而无法产生磁场。

太多的放射性重元素也会导致火山活动过于频繁，而这对生命的发展是不利的。反过来，放射性重元素太少也不行，这会导致地质运动停滞，进而把行星变成一个死寂的世界。

行星内部的放射性重元素大多是中子星合并的产物，中子星合并是稀有事件。因此对于不同恒星和行星而言，这些元素含量的差异很大。

研究人员认为，我们可以通过追踪恒星内部铕元素的含量，来确定其周围行星放射性重元素的含量，因为铕和具有放射性的钍以及铀产生自同一过程。而太阳的铕含量处于中等水平。

行星内部的放射性重元素含量，或将成为天文学家定义宜居带的一个新维度。核辐射不总是致命的，它也可以创造生命。

在两颗中子星发生史诗般的碰撞三年半后，人们在天空中看到了奇怪的X射线光，这是科学上的第一次。

上图：GW170817冲击波的想象图。

据研究太空区域的天文学家说，这可能是由合并产生的 千新星（Kilonova） 爆炸的余辉，很可能是爆炸产生的冲击波撞上爆炸周围的太空区域的尘埃。

还有另一种可能，就是在爆炸过程中喷射出的物质落回新合并的物体上所产生的辉光，很可能是一个低质量黑洞。

不管是那种情况，这种现象似乎从未被发现过。

西北大学的天文学家Aprajita Hajela说：“在研究中子星合并后的后果方面，我们已经进入了一个未知的领域。我们第一次看到了新的、非凡的东西。这让我们有机会研究和理解新的物理过程，这是以前没有观察到的。”

2017年8月17日首次探测到的爆炸，本身就是一个绝对史诗般的事件。天文学家第一次探测到两颗中子星，在一个日益衰减的轨道上被锁定在一起，最后碰撞并合并在一起。

这一名为“GW170817”的事件，不仅是利用引力波天文学的新领域捕捉到的， 而且是在光谱范围内的光中捕捉到的。

这一合并产生了千新星爆炸，这种爆炸的亮度是经典新星的1000倍。对这次爆炸发出的光的分析表明，中子星碰撞产生了伽马射线爆发，接近光速的喷射流从爆炸中喷射出来， 爆炸时在高能环境中形成了金、铂、铀等重金属。

因为这是一次全新的观测，天文学家继续观察它发生的天空区域，距离太阳系约132亿光年。

在X射线波长中，他们注意到了一些特别的东西。在伽马暴发生9天后，这个源开始在光谱中发光，并在合并后的160天达到峰值。然后，光芒迅速消失。这被解释为“相对论喷流”。

然而，尽管这种光芒在大部分光谱中逐渐消失，但从2020年开始，它在X射线波长上趋于稳定，这是一种在黑暗的太空中持续存在的稳定光。

上图：艺术家对来自GW170817的辉光的描绘，配上X射线图像。

加州大学伯克利分校的天体物理学家 Raffaella Margutti说：“X射线迅速停止衰减的事实，是我们迄今为止最好的证据，证明在这个来源中，除了喷流，X射线中还探测到一些东西。似乎需要一种完全不同的X射线来源来解释我们所看到的情况。”

根据研究小组的分析，最适合产生这种辉光的是一种相对论冲击波，根据该团队的分析，最适合发光的是相对论冲击，因为碰撞产生的喷射物会爆炸到太空中。 他们说，这类似于地球上的音爆：当这种物质膨胀到合并周围的空间中时，它会撞击气体，产生激波，加热气体并导致 X 射线发光。

如果是这种情况，则表明两颗中子星形成黑洞并不是一个迅速的过程。

另一种解释是，当黑洞形成时，它周围的物质在组装成一个旋转吸积盘后开始落回它上面。 这个由重力和摩擦加热的轨道圆盘也会发出 X 射线。

这两种情况 —— 无论是千新星冲击波还是物质落入中子星合并中新形成的黑洞，都将是第一次。

天文学家将继续观察它的行为如何变化。如果它在未来几年的无线电发射中变亮，很可能是冲击波。如果它持续稳定，然后亮度下降，很可能是黑洞吸积。无论它是什么，都会告诉我们一些关于中子星合并的新信息。

西北大学的天文学家 Kate Alexander说：“对GW170817的进一步研究，可能会产生深远的影响。探测到千新星余辉意味着，合并并没有立即产生黑洞。或者，这个天体可能会给天文学家提供一个机会，研究物质是如何在黑洞诞生几年后落入黑洞的。”

这项研究将发表在最新一期的《天体物理学杂志通讯》上，可以在预印本服务器arXiv上找到。

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