黑洞或无黑洞：中子星碰撞的天体物理学

时间：2021-11-02 17:51:59 来源：

艺术表现形式：在中子星合并中，会出现极端的温度和密度。

由GSI科学家和国际同事领导的一项新研究调查了中子星合并中的黑洞形成。计算机模拟表明，致密核物质的特性起着至关重要的作用，这直接将天体合并事件与GSI和FAIR的重离子碰撞实验联系起来。这些特性将在将来的FAIR设施中进行更精确的研究。结果现已发表在《物理评论快报》上。由于获得了2020年诺贝尔物理学奖的黑洞的理论描述以及在我们银河系中心发现超大质量物体这一奖项，该话题目前也引起了广泛关注。

但是，在什么情况下实际上会形成黑洞？这是由GSI HelmholtzzentrumfürSchwerionenforschung在达姆施塔特进行的一项国际合作研究的核心问题。利用计算机模拟，科学家将注意力集中在形成黑洞的特定过程上，即两个中子星的合并（下面的模拟动画）。

中子星由高度压缩的致密物质组成。一个半太阳质量的质量被压缩到只有几公里的大小。这对应于比原子核内部更高甚至更高的密度。如果两个中子星合并，则在碰撞过程中该物质将进一步压缩。这使合并的剩余部分濒临崩溃，陷入了黑洞。黑洞是宇宙中最紧凑的物体，即使光线也无法逃逸，因此无法直接观察到这些物体。

“关键参数是中子星的总质量。如果超过某个阈值，就不可避免地会崩溃到一个黑洞。”来自GSI理论系的Andreas Bauswein博士总结道。但是，确切的阈值质量取决于高密度核物质的特性。详细地讲，高密度物质的这些性质仍然没有完全被理解，这就是为什么像GSI这样的研究实验室会碰撞原子核的原因-就像中子星合并一样，但是规模要小得多。实际上，重离子碰撞导致的条件与中子星合并的条件非常相似。根据理论发展和物理重离子实验，可以计算某些中子星物质模型，即所谓的状态方程。

利用许多这些状态方程，新的研究计算了黑洞形成的阈值质量。如果中子星物质或核物质分别易于压缩-如果状态方程是“软”的-已经合并，相对较轻的中子星就会形成黑洞。如果核物质是“刺激物”，并且压缩性较差，则残余物可以抵御所谓的重力坍塌，并且会因碰撞而形成大量旋转的中子星残余物。因此，塌陷的阈值质量本身会告知高密度物质的特性。这项新的研究进一步揭示了崩溃的阈值甚至可以阐明核子在碰撞过程中是否溶解在其夸克中。

希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学物理系的尼古拉斯·斯特吉欧拉斯教授说：“我们对这些结果感到非常兴奋，因为我们希望未来的观察结果能够揭示出阈值质量。”就在几年前，通过测量碰撞产生的引力波，首次观察到中子星合并。望远镜还发现了“电磁对应物”，并从合并事件中检测到了光。如果在碰撞过程中直接形成黑洞，则合并的光发射会非常暗淡。因此，观测数据指示是否创建了黑洞。同时，重力波信号会携带有关系统总质量的信息。恒星越重，重力波信号越强，因此可以确定阈值质量。

在重力波探测器和望远镜等待下一次中子星合并之前，正在达姆施塔特（Darmstadt）设置该课程的目的是为了获得更详细的知识。目前正在GSI建造的新加速器设施FAIR将创造条件，这与中子星合并中的条件更加相似。最后，只有将天文观测，计算机模拟和重离子实验相结合，才能解决有关物质的基本构造及其性质的问题，并借此阐明黑洞的坍塌是如何发生的。

参考：Andreas Bauswein，Sebastian Blacker，Vimal Vijayan，Nikolaus Stergioulas，Katerina Chatziioannou，James A. Clark，Niels-Uwe F. Bastian，David B. Blaschke撰写的“中子星合并迅速崩溃的阈值二元质量的状态约束方程” ，Mateusz Cierniak和Tobias Fischer，2020年9月30日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.125.141103

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