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探秘质量间隙:它是中子星还是黑洞

科学探索万象经验2024-01-26

LIGO和VIRGO在过去几年里探测到了许多起引力波事件,它们是由两个致密天体(中子星或黑洞)的合并产生的。这些事件不仅证实了爱因斯坦的广义相对论,而且揭示了一些新奇的天体物理现象。这些事件中有一些特别引人注目,因为它们涉及到一些质量在2.5到5倍太阳质量之间的天体,这个范围被称为“质量间隙”。

为什么叫质量间隙呢?因为在这个范围内,我们从来没有观测到过任何的中子星或黑洞。最重的已知中子星的质量大约是2.14太阳质量,而最轻的已知黑洞的质量大约是5太阳质量。那么,这些质量间隙中的天体到底是什么呢?它们是非常致密的中子星,还是非常轻的黑洞,或者是一些其他的奇怪的物质状态呢?

要回答这个问题,我们需要更多的观测数据,特别是那些能够测量这些天体的质量和半径的数据。这样,我们就可以用物理学的原理来判断它们是什么。幸运的是,我们有一种非常强大的工具,就是脉冲星的精密计时。脉冲星是一种快速自转的中子星,它们会从两极发射出强烈的无线电波,就像一盏灯塔一样。如果一个脉冲星与另一个致密天体组成双星系统,那么我们就可以通过测量它们的轨道运动来推断出它们的质量。

科学家使用了南非的MeerKAT射电望远镜,对一个位于球状星团NGC 1851中的脉冲星PSR J0514-4002E进行了观测。这个脉冲星是一个毫秒脉冲星,它的自转周期只有几毫秒。利用了MeerKAT的高灵敏度和高时间分辨率,科学家对这个脉冲星的到达时间进行了精确的测量,从而得到了它的轨道参数和质量。我们发现,这个脉冲星的质量是1.78太阳质量,而它的伴星的质量在2.09到2.71太阳质量之间(95%置信区间)。这个结果让我们大吃一惊,因为这意味着这个伴星的质量正好落在了质量间隙中!

那么,这个伴星到底是什么呢?它是一个超重的中子星,还是一个超轻的黑洞,或者是一些其他的东西呢?我们首先排除了它是一个普通的恒星的可能性,因为我们没有在任何波段观测到它的光学或红外辐射。我们也排除了它是一个白矮星的可能性,因为白矮星的质量不可能超过1.4太阳质量,这是由量子力学的简并压限制的。