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各大天文台重磅发布:这次"听"到引力波 也"看"到了

发布时间:2017-10-16 22:40:06 来源:澎湃新闻 责任编辑:笙火

北京时间10月16日22时,在整个天文学界因一则重磅预警“炸锅”后,吊足胃口的美国国家航空航天局(NASA)、欧洲南方天文台、南京紫金山天文台、英国科技设备委员会、法国国家科学研究中心等全球数十家科学机构终于联合宣布了重大成果:从约1.3亿光年外,科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波,及其光学对应体。

该成果由美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)和欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器及全球其他70个地面及空间望远镜共同完成的,包括中国第一颗空间X射线天文卫星——“慧眼”HXMT望远镜和中国南极巡天望远镜。相关论文发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)、《自然》等期刊上。

LIGO团队在2016年2月正式宣布成功探测到由双黑洞并合产生的引力波,完成了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图,由此众望所归地捧走了今年的诺贝尔物理学奖。然而,这次全球共同完成对同一个天文事件的引力波与电磁波的首次联合观测,才正式标志着天文物理掀开多信使时代的新一页。

清华LIGO科学合作组织工作组负责人曹军威向澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍道,之前LIGO和Virgo探测到4次来自双黑洞的引力波信号,在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间,然而,在8月17日探测到的这个持续了100秒,并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同。科学家们可以识别这个天体源的质量远比迄今观测到的所有黑洞的质量都要小得多。

LIGO的数据指向了两个距离地球1.3亿光年的相互旋进的天体。数据显示这个天体系统的质量没有双黑洞大,估计为1.1~1.6倍太阳质量,恰好是中子星的质量范围。对于噪音背景的分析显示,这种强度的信号是由一致性随机噪音产生的概率低于每8万年一次。

一小勺重达10亿吨的中子星

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。时间和空间会在质量面前弯曲,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动传播开来,这些振动就是引力波。我们在地球上随时随地都可能遭遇来自宇宙中各种源头的引力波:两个黑洞并合、碰撞;中子星旋转、并合;超新星核塌缩等。

LIGO团队此前探测到的4次引力波事件,均由双黑洞形成。全世界都在期待,中子星能出现在引力波事件中。

恒星演化到末期,经由引力坍缩发生超新星爆炸,根据质量的不同,内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成,是目前已知的最小、致密的恒星。一小勺中子星物质就可能重达10亿吨。双中子星系统在围绕中心旋转的过程中会不断放出引力波,导致系统能量降低,轨道缩小,并最终撞在一起,释放出强烈的引力波。在最终并合前的100秒以内发出的引力波信号正好位于激光干涉仪的灵敏频段内,因此有机会被观测到。

“看”到引力波的余晖

黑洞吸收光,无法被观测到,而中子星则不然。中子星并合过程不但会发射出强列的引力波辐射,还伴随剧烈的电磁辐射,也就是所谓的光学对应体。可以说,在科学家们“听”到中子星引发的引力波事件并定位后,就能运用望远镜“看”到“光”,即电磁波。

各大天文台重磅发布:这次听到引力波 也看到了

双中子星并合的艺术想象。窄束代表着伽马暴,而扭曲的时空网格标志着由并合产生的各向同性的引力波。旋转的物质团块是从并合的双星中抛射出的物质,可能导致了较低能量的电磁信号源。 ?美国国家科学基金会/LIGO/索诺马州立大学/A. Simonnet图

今年8月份,LIGO和VIRGO开始合作探测引力波。由三处探测器发现的引力波事件不仅更为可靠,也更能准确定位。当时,天文学界已经“谣传”两家发现了带光学对应体的引力波源,疑似由中子星并合产生。不过,消息迅速被当事人删除。而两家天文台在9月底最终发布的结果,是另一次由黑洞并合产生的引力波事件GW170814。

那么,这次这个激动人心的引力波光学对应体究竟是什么呢?

原来,中子星并合以后会发出伽马光子,该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后数周内,这场大并合仍会继续发出其他频段的“光”,包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波等。

一场科学盛宴:多信使天文学

经历了一个月多的“谣传”和猜测,这个天文学界人人都心知肚明的秘密终于被揭晓。

北京时间8月17日20时41分,LIGO捕捉到时长100秒的GW170817引力波信号。此时,升级为高新LIGO后的第二轮科学观测正接近尾声,而Virgo处于刚刚开始升级为高新Virgo的第一次运行。

几乎同时,GRB 170817A伽玛短暴触发了NASA费米望远镜(Fermi)的伽马暴监测器。LIGO-Virgo的分析软件通过比较两信号,得出结论:这不太可能只是一个巧合。

随后,全球各大望远镜纷纷启动后续探测……

这次成果的科学意义毋庸置疑。科学家们对中子星演化、引力波来源、伽玛暴来源的了解更进一步,后续仍会有更多重要的数据和论文发表。而更重要的或许是这场“群像”性质的天文盛宴:随着引力波这个重要角色到位,“多信使天文学”掀开了新的一页,天文物理的“全球化”也必然地更进一步。


清华LIGO工作组自2009加盟LIGO以来,就参与了迄今为止的所有引力波发现。主要研究工作包括:1. 构建了“利用已知脉冲星群组性质探测连续引力波”的方法,并利用该方法搜索信号;2. 完善了“贝叶斯多信使天文学框架”,并且用该框架研究引力波—短伽马暴;3. 进一步优化GPU加速在线致密双星并合信号搜寻程序流水线;4. 探索深度学习在引力波实时数据分析中的应用等等。

引力波天文时代到来了。正如2017年诺奖得主Barry Barish接受澎湃新闻专访时所言:从LIGO探测到引力波起,新一代的天文物理研究者就已绕不开它。

姚立伟 本文来源:澎湃新闻 责任编辑:姚立伟_NT6056

责任编辑: 笙火

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