由质量巨大的旋转恒星死亡造成的时空涟漪可能处于像LIGO和Virgo这样的项目的探测范围内。
根据新的模拟结果，塌缩体（即大质量恒星塌缩后的残余物）可能会产生可探测的引力波。这些由物质螺旋进入黑洞而产生的引力波，可能有助于我们深入了解恒星和黑洞的内部运作机制，尽管识别这些引力波仍然是一个挑战。
恒星死亡产生的引力波
一颗质量巨大、旋转迅速的恒星的死亡可能会震撼宇宙。根据 8 月 22 日发表在《天体物理学杂志通讯》上的新研究，由此产生的涟漪——被称为引力波——可被地球上的仪器探测到。研究背后的科学家预测，这些新的引力波源正等待被发现。
引力波是由质量为太阳15到20倍的快速旋转恒星剧烈死亡后产生的。燃料耗尽后，这些恒星先是内爆，然后爆炸，这种现象被称为坍缩星。这留下了一个黑洞，其周围有一个巨大的残留物质盘，这些物质迅速旋转着进入黑洞的大嘴。物质螺旋式进入黑洞的过程（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。
这张模拟图展示了在坍缩星事件后，新生黑洞周围物质的分布。较暖的颜色表示物质的密度较高。图片来源：Ore Gottlieb
模拟引力波探测
利用尖端模拟技术，科学家们确定，这些引力波可以用诸如激光干涉引力波天文台（LIGO）之类的仪器探测到，该天文台在2015年首次直接观测到了合并黑洞产生的引力波。如果发现的话，坍缩星驱动的引力波将有助于科学家了解坍缩星和黑洞的神秘内部工作原理。
“目前，我们所探测到的唯一引力波来源是两个致密天体的合并——中子星或黑洞，”这项研究的主要负责人、纽约市弗拉蒂隆研究所计算天体物理学中心（CCA）的研究员奥雷·戈特利布表示。“该领域最有趣的问题之一是：哪些潜在的非合并源可能产生我们当前设施可以探测到的引力波？现在一个很有希望的答案是塌缩星。”
来自塌缩星的可探测引力波
戈特利布与CCA访问学者、哥伦比亚大学教授尤里·莱文以及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产生的条件——包括磁场和冷却速率。模拟结果显示，坍缩星可以产生足够强大的引力波，在大约5000万光年之外的地方也能观测到。这一距离虽然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，但仍然比迄今为止模拟的任何非合并事件都要强。
引力波模式中的意外发现
戈特利布表示，这一新发现令人惊讶。科学家们原以为，混乱的崩溃会产生一团混乱的波，而这些波很难在宇宙的背景噪音中被识别出来。想象一下管弦乐队正在热身。当每位乐手演奏自己的音符时，很难从众多乐器中分辨出单簧管或大号的旋律。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，就像管弦乐队共同演奏一样。这是因为当两个致密天体即将合并时，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会将信号放大到可检测的水平。新的模拟结果表明，塌缩星周围的旋转盘也能发射出引力波，这些引力波会相互放大，与合并中绕轨运行的致密天体非常相似。
坍缩星驱动的波的力量
“我原以为信号会更混乱，因为圆盘是一个连续分布的气体，其中的物质在不同的轨道上旋转，”高特利布说。“我们发现这些圆盘的引力波是相干发射的，而且它们也相当强大。”
坍缩盘预测的引力波信号不仅足够强大，可以被LIGO探测到，而且哥特利布的计算表明，现有数据集中可能已经存在几个此类事件。如宇宙探索器和爱因斯坦望远镜等提议的引力波探测器每年可以探测到数十个此类事件。
探测塌缩星事件的策略
引力波界已经对寻找这些事件产生了兴趣，但这并非易事。这项新工作计算了少量潜在塌缩星事件的引力波特征。然而，恒星的质量和旋转分布范围很广，这将导致计算出的引力波信号存在差异。
“原则上，为了创建一个通用模板，我们最好模拟100万个塌缩星，但不幸的是，这些模拟非常昂贵，”戈特利布说。“所以，目前我们不得不选择其他策略。”
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，由于恒星种类繁多，每种恒星都有可能发出独特的信号，因此找到与模拟信号之一相匹配的情况可能不太可能。另一种策略是使用附近塌缩星事件的其他信号（例如恒星塌缩期间发出的超新星或伽马射线暴），然后搜索数据档案，以查看在同一时间天空中该区域是否检测到了任何引力波。
对理解黑洞的启示
探测坍缩星体产生的引力波将有助于科学家更好地了解恒星坍缩的内部结构，也将使他们能够了解黑洞的特性——这两个主题目前仍知之甚少。
“这些是我们原本无法检测到的东西，”戈特利布说。“我们研究黑洞周围这些恒星内部区域的唯一方式是通过引力波。”
参考：“在LIGO的视线中？来自冷却坍缩盘的强烈相干引力波”，作者为Ore Gottlieb、Amir Levinson和Yuri Levin，发表于2024年8月22日，《天体物理学期刊通讯》。DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c。
