重大发现！天文学家第一次发现黑洞吃掉中子星，爱因斯坦又对了！

根据《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）刊载的一项新研究[1]，天文学家有了重磅发现，第一次探测到了黑洞和中子星的碰撞所释放出的引力波，最远来自于10亿光年之外，再一次证明了爱因斯坦百年前的预言。

那么，引力波是什么？爱因斯坦又是如何预言的？这次的最新发现又有什么特别之处？

牛顿的万有引力定律告诉我们，只要物体有质量，它们之间就会产生引力作用。但牛顿没有解释引力是如何产生的，引力的作用速度有多快。虽然万有引力定律可以预言海王星的存在，但却无法说明水星轨道的近日点进动问题，这意味着该理论一定不是完美的。

在牛顿之后，爱因斯坦在1915年创立了广义相对论，从完全不同的角度来解释引力。爱因斯坦认为，有质量的物体会把原来平坦的空间压弯，在弯曲空间中，物体之间有相互靠近的趋势，从而表现出引力效应。

万有引力定律能解释的引力现象，广义相对论也都能解释，而万有引力定律无能为力时，广义相对论仍然有效。不仅如此，广义相对论还预言了未知的现象，例如，引力的传播速度是光速、有质量的物体加速运动时会产生引力波、宇宙中存在吞噬光的黑洞。

在广义相对论诞生100年后，天文学家终于首次直接发现了引力波，由两个黑洞碰撞所产生。该发现也证明，引力波的传播速度也是光速。到了2018年，天文学家首次直接捕捉到了黑洞照片，这进一步证实了广义相对论。

引力波之所以在广义相对论诞生一个世纪后才直接发现，是因为这种效应极其微弱，以致于爱因斯坦都觉得无法探测到。只有黑洞碰撞这样的宇宙灾难，才能爆发出足够强大的引力波。

探测引力波的装置是一种激光干涉仪，有着两条互相垂直的等长干涉臂。当引力波经过探测器时，引起了时空的波动，导致一条干涉臂被拉长，另一条干涉臂被压缩，当一束被分离的激光穿过两条干涉臂时，由于光程发生变化，将会探测到引力波的存在。

在著名物理学家基普·索恩的主导下，人类建造了史上最强大的引力波探测器——激光干涉引力波天文台（LIGO）。为了让干涉仪具有极高的灵敏度，干涉臂的长度达到了4公里，并且通过光子的来回反射，可以让干涉臂的有效长度延伸到1600公里。LIGO能够探测到10^-18米的长度变化，这只有质子直径的千分之一。

凭借着强大的LIGO以及原理类似的室女座干涉仪（Virgo），天文学家先后探测了远在数亿、数十亿光年外的黑洞合并产生的引力波。此后，这些引力波探测器又发现了两个中子星合并所释放出的引力波。

然而，还有一种更为罕见的碰撞没有探测到，那就是黑洞和中子星的碰撞。直到最近，天文学家才首次确认发现了黑洞和中子星的直接碰撞，LIGO和Virgo在去年一月曾先后两次发现这样的引力波信号。

第一次是GW200105，来自于一个质量为太阳8.9倍的黑洞和一个质量为太阳1.9倍的中子星碰撞。该信号源位于9亿光年之外，这意味着此次碰撞事件发生在9亿年前，引力波经过9亿年的时间才到达地球。

幸运的是，仅仅过了10天之后，天文学家又探测到另一起强烈的引力波信号GW200115，来自于一个质量为太阳5.7倍的黑洞和一个质量为太阳1.5倍的中子星碰撞。该信号源位于更远的宇宙，距离地球达到了10亿光年，这意味着该碰撞事件要比上一起更早发生1亿年的时间。

在探测到这两起引力波事件之后，天文学家马上通过各种波段的天文望远镜来观测这两片天区，结果并没有发现任何的电磁波信号。这与双中子星的合并不同，两颗中子星碰撞时，将会合成出大量的金、铂等元素，也会释放出强烈的电磁波。

天文学家认为，这两个黑洞并不是把它们附近的中子星撕碎掉，也不是慢慢地碰撞，而是黑洞直接一口吃掉了整个中子星。因此，这个过程并不会发出电磁波，只会产生震撼宇宙的引力波。

在这两次引力波事件中，无论是黑洞，还是中子星，它们的前身都是质量在太阳8倍以上的大质量恒星。这些恒星快速耗尽燃料后，将会爆发成闪耀宇宙的超新星，核心部分将会被自身重力强烈压缩成黑洞和中子星。

经过漫长时间的互相绕行，两个致密天体的轨道不断衰减，直至发生碰撞。引力波最终击中数以亿计光年外的地球，让我们目睹了不可思议的宇宙大碰撞。

参考文献

[1] R. Abbott, T. D. Abbott, S. Abraham, et al. Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star–Black Hole Coalescences, The Astrophysical Journal Letters, 2021, 915, L5.