作者:GmbH亥姆霍兹恩施亨有限公司 艺术表现:在中子星的合并中，极端温度和密度出现
信用:戴娜·贝瑞，天空工程数字公司
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，致密核物质的性质起着至关重要的作用，这直接将天体物理合并事件与GSI和费尔的重离子碰撞实验联系起来
这些特性将在未来的FAIR设施中得到更精确的研究
结果现已发表在《物理评论快报》上
随着2020年诺贝尔物理学奖授予对黑洞的理论描述和在银河系中心发现一个超大质量物体，这个话题目前也受到了很多关注
但是黑洞实际上是在什么条件下形成的？这是达姆施塔特的GSI·亥姆霍兹恩弗隆领导的一项国际合作研究的中心问题
通过计算机模拟，科学家们聚焦于形成黑洞的一个特殊过程，即两颗中子星的合并
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
这相当于与原子核内部的密度相似甚至更高
如果两颗中子星合并，物质在碰撞过程中会被进一步压缩
这使得濒临崩溃边缘的合并残余变成了黑洞
黑洞是宇宙中最致密的物体，即使是光也无法逃逸，所以这些物体无法被直接观察到
“关键参数是中子星的总质量
如果超过一定的阈值，黑洞的坍缩是不可避免的
GSI理论系的安德里亚斯·鲍斯温
然而，准确的临界质量取决于高密度核物质的性质
详细来说，高密度物质的这些特性仍未被完全理解，这就是为什么像GSI这样的研究实验室会碰撞原子核——就像中子星合并一样，但规模要小得多
事实上，重离子碰撞导致了与中子星合并非常相似的情况
基于理论发展和物理重离子实验，可以计算中子星物质的某些模型，即所谓的状态方程
利用这些状态方程中的许多方程，新的研究计算了黑洞形成的临界质量
如果中子星物质或核物质分别很容易被压缩——如果状态方程是“软”的——相对较轻的中子星的合并已经导致黑洞的形成
如果核物质“更坚硬”且更不可压缩，残余物就会稳定下来，抵抗所谓的重力坍缩，并在碰撞中形成一个巨大的旋转中子星残余物
因此，坍缩的临界质量本身决定了高密度物质的性质
这项新的研究进一步揭示了坍缩的阈值甚至可以澄清在碰撞过程中核子是否会溶解到它们的成分夸克中
“我们对这个结果非常兴奋，因为我们希望未来的观测能够揭示临界质量，”希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学物理系的尼古拉·斯特焦拉斯教授补充道
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，并探测到了合并事件产生的光
如果黑洞是在碰撞中直接形成的，那么合并后的光发射相当微弱
因此，观测数据表明是否有黑洞产生
同时，引力波信号携带了关于系统总质量的信息
恒星质量越大，引力波信号就越强，从而可以确定临界质量
当引力波探测器和望远镜在等待下一次中子星合并时，这门课程正在达姆施塔特进行，以获取更详细的知识
目前正在GSI建设的新加速器设施博览会将创造条件，这些条件甚至更类似于中子星合并
最后，只有天文观测、计算机模拟和重离子实验的结合才能解决关于物质的基本组成部分及其性质的问题，这样，它们也将阐明黑洞坍缩是如何发生的
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