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LIGO发现新的引力波 中子星合并告诉我们什么?

发布时间:2017-10-16 23:00:05 来源:《科学美国人》中文版《环球科学》 责任编辑:笙火

2015年9月14日,激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接探测到双黑洞合并产生的引力波。在那之后,LIGO又陆续确认了3个引力波信号。引力波信号的发现证实了爱因斯坦100年前所做的预测,弥补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图。但之前的引力波信号均来自双黑洞的合并,因此只会出现引力波,而无法发射电磁辐射。也就是说,除了LIGO和处女座干涉仪(Virgo),天文望远镜根本无法探测到引力波。

因而,天文学家希望能够从其他宇宙灾难,比如中子星的合并中探测到引力波。这类事件除了能够引起引力波外,还能发射出电磁波段的辐射——从无线电波到γ线。

2017年8月17日,LIGO和Virgo在4000万秒差距(1.3亿光年)之外的NGC 4993星系内首次探测到了两颗中子星的合并。此次事件被命名为GW170817,事件产生了引力波和电磁辐射,在该事件两秒后发生了一次伽玛射线暴。

LIGO首次探测到中子星合并引力波事件

本周《自然》和《自然-天文学》在线发表了7篇论文,报告了两颗中子星合并带来的各种新发现。根据其中6篇论文,在GW170817事件中,还产生了伽玛射线、X射线、可见光和红外光。这些论文揭示了该事件的特征,包括颜色(先蓝后变红)和几何特征。这些论文证实了长期以来的一种预测:双中子星合并会喷射辐射物质——低亮度爆发事件“千新星”的一部分。上述研究还表明,中子星合并是宇宙中部分超铁元素的主要来源,之前它们的起源一直无法确定。其中一篇论文报告称对一束高速物质喷流的观测可能离轴,这或有助于解释为什么伽玛射线暴通常看上去比较暗。

在另一篇《自然》论文中,作者利用GW170817的特性测量了哈勃常数——一种用于描述宇宙扩张的测量单位。GW170817是第一个发生在已知宿主星系内的引力波事件。作者使用宿主星系距离计算出的哈勃常数约为70 km/每秒/百万秒差距,与之前的预估值一致。

中子星合并告诉我们什么?

由黑洞合并引发的引力波信号持续时间很短,通常只有一秒甚至更短。但中子星合并引发的信号可能持续一分钟:中子星比黑洞的质量要小,由于合并而产生的引力波强度不如黑洞,因此比起黑洞,中子星的轨道衰减和相互融合需要花费更长的时间。更长的持续时间让研究人员能够对爱因斯坦的广义相对论进行更精确的检验,同时也可能为中子星的起源提供更多线索。

短伽玛射线暴的观测本身也具有重要的意义,它与引力波的关联证实了数十年来,伽玛射线暴源于中子星合并的理论。此外,NGC4993距离我们4千万秒差距,这可能是有记录以来的最近的一次短伽玛射线暴。要知道,大部分此类事件都发生在与我们相距几十亿秒差距的遥远宇宙。

目前,我们对中子星的结构的认知还十分有限。而中子星合并事件产生的引力波的详细信息,或许能为我们揭开中子星结构的面纱。我们还将有机会知道,合并后是否会再形成一颗中子星,或是形成黑洞。

LIGO首次探测到中子星合并引力波事件

早有预兆

早在今年8月,LIGO观测到中子星合并引发的引力波的流言就已经流传开。德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家克雷格·惠勒(Craig Wheeler)8月18日在推特上写道:“LIGO上演新发现,发现存在光学对应体的引力波源。真是太棒了!”一个小时以后,西雅图华盛顿大学的天文学家彼得·约阿希姆(Peter Yoachim)在推特上发帖称LIGO探测到来自星系NGC 4993的光学对应体的信号。约阿希姆称:“源头是相互合并的两颗中子星”。

当然,即便这些天文学家提前透露了风声,但在对数据进行仔细分析、确定信号来源之前,LIGO官方显然不会发布观测结果。随后,惠勒还在推特上公开道歉:“不论对与错,我都不该发表那条推特。LIGO有权在其觉得合适的时间点宣布新发现。这是我的错。”

但从全球主要的天空望远镜在那段时间的观测情况中,人们很容易发现端倪。公开的记录表明,在可能存在引力波源的同一片区域,NASA的费米伽玛射线太空望远镜已经观测到了伽马射线。这在理论上与中子星合并形成的伽马辐射暴一致,但天文学家也提醒说,即使费米望远镜观测到了伽马射线暴,其精确度也不足以让我们辨认出来源。

随后,有人注意到NASA的钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray observatory)也加入了观测。钱德拉天文台的网站有一份公开记录关于8月19日的观测,该记录表示望远镜指向NGC4993星系,并观测到一个编号为SGRB170817A的事件,该代号意为“2017年8月17日发生了一次短伽玛射线暴”。该记录的最醒目的部分是“触发条件”部分,解释了望远镜终止预先计划而转到该方向的原因。这份报告写道:“引力波的源头要么被LIGO探测到,要么被Virgo探测到,或者被二者均探测到。”

LIGO首次探测到中子星合并引力波事件

钱德拉X射线天文台


另外一些主要天文望远镜,包括位于欧洲南方天文台的甚大天文望远镜和阿卡塔玛大型毫米/亚毫米观测阵列(ALMA),都在8月18日和19日两天对NGC 4993星系进行了观测。

8月25日,LIGO-Virgo联合发布了更新:“经过我们的初步分析,在LIGO和Virgo的数据中我们确认了几个有希望的引力波信号候选,我们也将所知道的信息与合作伙伴共享。我们正在努力分析这些候选是否为确凿的引力波事件,我们也需要时间来评估其置信水平。我们会在消息确认后尽快向大家公开。”而现在,这一消息终于得到官方确认。

郭浩 本文来源:《科学美国人》中文版《环球科学》 责任编辑:郭浩_NT5629

责任编辑: 笙火

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