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探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作

发布时间:2017-10-17 07:20:01 来源:知识分子 责任编辑:笙火
(原标题:引力波重磅发现第二季: “从此,人类终于耳聪目明了”|“知识分子”特别报道)

探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作

编者按:

10月16日晚,全球天文学界联合发布一项重大发现:人类首次直接探测到了由双中子星并合产生的引力波及其伴随的电磁信号。用天体物理学家张双南的话来说,“人类不但听到了天体结合发出的美妙歌声,而且也看到了它们相爱迸发的烟花!”

从此,在浩淼的宇宙面前,“人类终于耳聪目明了”。

从爱因斯坦预言引力波到一百年后科学家接力发展高精度探测技术,在最近的两年间连续数次、不仅“听到”、而且“看到”引力波的存在,一切皆如预言般精准和完美,这是人类智力运行的巅峰之作,一首科学的赞歌。

在这项创造天文学历史、具有人类学意义的重大发现中,我们也看到中国科学家跻身在列,做出了重要工作。其中不仅有一直没有缺席引力波探测国际合作的清华大学LIGO工作组,而且,刚刚发射运行的中科院“慧眼”天文卫星在同一时间观测到了此次引力波事件,并迅速发布了观测结果,110位慧眼团队科学家由此加入全球将近一千个单位的三千多位作者联合“写作”的历史性论文中。中国南极巡天望远镜也在同时捕获此次引力波事件的光学信号,相关分析结果将于今日发表在中国期刊《科学通报》英文版Science Bulletin上。

撰文 | 吕浩然

责编 | 李晓明

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北京时间2017年10月16日晚10时,LIGO-Virgo科学合作组及全球各主要天文台同步发布重大天文学发现:首次直接探测到了由双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号——GW170817。

此次发现也标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其它望远镜同时观测到了同一个天体物理事件,开启了期待已久的多信使天文学的新窗口,引力波天文学也为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。

据悉,此次发现是由位于美国激光干涉引力波天文台(LIGO)分别位于华盛顿州的汉福德及路易斯安那州的利文斯顿的两台探测器和位于欧洲的室女座干涉仪(Virgo)引力波探测器,以及来自全球各地的70个地面及空间望远镜共同完成的。其中,南京紫金山天文台、清华大学LIGO工作组、中国科学院高能物理研究所等国内多个研究机构组成的科研合作团队也参与了此次探测。

2017年8月17日,全世界天文学界联合起来

相较于之前LIGO及Virgo已经探测到的四次来自双黑洞的引力波信号,此次发布的探测结果在很多方面都有所不同。

时间定格在2017年8月17日。

就在三天之前,LIGO-Virgo首次联合探测到了双黑洞并合所产生的引力波(GW170814),这是继Virgo在8月1日加入到合作探测之后的首次捕获。

北京时间8月17日晚8点41分零4秒,一段很强的引力波信号被定位于约2度宽15度长覆盖28平方度的一个椭圆的区域(被称为“误差椭圆”,看上去大约是一臂距离外一个香蕉的形状和大小)的一台LIGO探测器捕获,从而实时反馈到了LIGO的实时数据软件中。

不到2秒之后,美国宇航局费米空间望远镜(Fermi)的观测到了一个伽玛暴信号(GRB170817A)。

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!另一个自动分析结果表明:另一个LIGO探测器也探测到了一致的引力波信号(GW170817A)。值得一提的是,此次的引力波信号在两个LIGO探测器的频谱中都清晰可见,但在Virgo中却不然。这恰恰是空中定位的很重要的一点。

对每个探测器而言,总有某个天空区域,来自那里的信号不容易被探测到。两个LIGO探测器中轻易可见而Virgo却观测不到的现象也意味着,此次信号来自天空中的某个位置,Virgo在那一刻刚好很难探测到那片区域。这一事实也对后续定位起到了至关重要的作用。

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探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作

图1:这些图显示了GW170817信号在每个LIGO和Virgo探测器中的频谱。水平轴是时间,竖直轴是频率。双星的“啁啾”信号从左侧靠低处开始,提升至右侧的陡峭曲线。“短时噪声干扰”已经从LIGO利文斯顿探测器频谱中消减,因而并不在图中显示。

与之前已经捕获的4次引力波信号不同,此次探测到的引力波信号持续时间非常长,达100秒之久(之前的信号在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间),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。

以LIGO-Virgo合作组的快速引力波探测分析以及费米望远镜的伽马暴探测为起点,世界范围内的各望远镜相继启动观测。

在GW 170817发布警报的时候,其空间位置正对着澳大利亚的上方,但是南非和智利的望远镜也同时在观测。在智利黑夜的最初几个小时里,Swope望远镜在星系NGC 4993里认证出了一个光学瞬变源(SSS17a);在接下来的两个星期里,地面望远镜和太空望远镜组成的阵列从紫外、光学、近红外等波段追踪着最初的探测。

而来自中国的“慧眼”卫星也第一时间对这一起引力波事件进行了观测,守夜的科学家团队立刻进行了几乎实时的数据分析。

最终,来自全球各地的70架地面及空间望远镜探测到了许多来自这一事件的邻近NGC4993星系的衰退的光信号。一场关于这场结合使用电磁波(光学)和引力波的“多信使”观测运动徐徐展开。

为什么是双中子星系统?

1974年,马萨诸塞大学的罗素·胡尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)使用波多黎各的阿雷西博射电望远镜发现了著名的赫尔斯-泰勒(Hulse-Taylor)脉冲双星PSR 1913+16。到目前为止,射电天文学家们已经绘制了40年它的轨道曲线,显示着这两颗星体正慢慢互相旋近。在大约3亿年后,赫尔斯-泰勒脉冲双星将会并合,并产生一个类似于GW170817那样的信号。

那么,天文学家们是如何确定GW170817出自两颗中子星并合呢?

就目前已有的探测手段及能力来看,科学家们仅能探测到四种系统并合所产生的引力波:黑洞-黑洞并合、超新星不对称爆发、黑洞-中子星并合以及中子星-中子星并合。LIGO于2016年2月11日首次探测到的引力波即属于黑洞-黑洞并合系统产生的。

引力波的波源取决于系统的天体属性,每个源都会产生不同的引力波信号。重要的属性包括单个物体的质量、自旋的速度、被挤压形变的难易度、双星轨道的大小、轨道相对视线的倾角等等。所有这些属性结合起来将决定引力波信号的总体形状、强度和每一刻的变动。引力波天文学家们极尽所能测量信号中的变化,然后反推出天体源的各种属性。

然而,双黑洞并合所产生的光学对应体极少,科学家们只能通过LIGO/Virgo的激光干涉探测器探测到引力波,但是相应的光学信号,即光学对应体需要地面及空间望远镜来观测。这也是为什么今天之前,有人形容人类探测引力波处于“非聋即瞎”的阶段:我们能够“听到”(能探测到)引力波,但却看不到(可观测到)相应的光学信号。

而超新星不对称爆发所产生的光学对应体只有在它距离地球比较近时(银河系内)才能观测到。因此,选定范围仅剩黑洞-中子星并合与双中子星并合两个选项。

最终,科学家们首次利用多信使探测去确认引力波的波源。

探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作

图2:引力波、伽马射线和可见光的位置。左边的小格子展示了90%置信区间投影区域,分别来自LIGO(浅绿色),LIGO-Virgo(深绿色),来自费米与INTEGRAL时间延迟得到的三角定位(浅蓝色),费米GBM(深蓝色)。放大图展示了宿主星系NGC4993的位置,包括了来自并合后10.9小时的Swope光学发现图片(右上方)与在并合20.5天前的图片(右下方)。

所谓多信使观测是指通过引力波、电磁波、高能宇宙线、中微子中的两个或多个进行联合观测的方法。这次引力波事件也标志着第一次引力波的多信使探测:同时进行引力波和电磁波探测的成功。

在从引力波和伽马信号认证出来的空间区域内,世界各地的望远镜倾尽全力开展了与源相关的后续观测。在不同的电磁波波段和中微子渠道上,有许多至关重要的观测。图2展示了各类观测的时间线。多波段的观测对于这一发现的科学内涵的丰富性居功至伟。

探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作

图3:GW170817,GRB170817A,SSS17a/AT2017gfo发现的时间线,以及以信使、波长和相对于引力波信号时间排列的后续观测。对于每一个波段或信使都显示了两种信息。首先,阴影区域代表了在GCN通告里报告的时间。每行开头展示着对应的作者。其次,带圆圈的实线标志着该源在对应波段至少被探测到一次。圆圈的大小大致由星等校准。

这些观测仔细监视着信号的频谱能量分布,揭示着这一特殊的电磁对应体是一个千新星(kilonovae)。此次观测也坚定地将千新星和双中子星并合联系起来,为“千新星来源于中子星并合阶段,通过中子俘获形成的重元素的放射性衰变的这一一物理图景”提供了可靠证据。

通过对8月17日探测(观测)到的信号及光学对应体进行分析,LIGO-Virgo合作组最终得知,双中子星系统中单个星体的质量在0.86个太阳质量到2.26个太阳质量之间。这些质量值都和目前已知的所有中子星质量范围相符合,这也是科学家们认为此次引力波事件出自一个双中子星系统的原因之一。

从GW170817的信号中,科学家们也模拟了双中子星并合的场景:在两星并合前的大约100秒,它们相距400公里,却在每秒内相互环绕12圈。每转一圈,引力波的辐射就会迫使它们越发接近。随着轨道的收缩,它们相互环绕的速度越来越快,引力波的强度和频率也不断增加。轨道的逐渐收缩过程被称为“旋近(inspiral)”,而频率的提升被称作“啁啾(chirp)”信号。这一过程逐渐加快直到双星并合而形成单个遗迹。

此外,从此次引力波信号得出的光度距离是40百万秒差距(约1.3亿光年),与NGC 4993星系的距离相符合。

值此,天文界作出了又一重大发现,人类对宇宙的探索与认知向前迈进了一大步。

《知识分子》邀请到了引力波研究相关领域的专家,就此次双中子星并合引力波事件发表评论:

张双南,中科院高能物理研究所所研究员

面对宇宙,人类不再是非聋即瞎

400多年前伽利略发明了天文望远镜,从此,远在天边的宇宙天体就变成了近在眼前。2016年2月11号美国的激光干涉引力波天文台宣布听到了两个黑洞结合在一起发出的声音,人类也能够听到宇宙的声音了!然而,这一次,人类不但听到了天体结合发出的美妙歌声,而且也看到了它们相爱迸发的烟花!耳听为虚,眼见为实!从此,人类终于耳聪目明了!

整个天文界都沸腾了,难道仅仅是因为欣赏了一场史无前例的音乐会和烟花表演饱了眼福?并不是!从此,耳聪目明的天文学家可以详细研究中子星内部的物质到底是什么,真的是一堆中子还是一团夸克物质?用引力波作为“标准烛光”替代超新星,是否会得到一幅不同的宇宙演化图像?爱因斯坦说了引力波的速度是光速,真的是这样吗?一个崭新的天文学、物理学和宇宙学的交叉前沿研究领域在一片惊呼中就这样诞生了!

我感到自豪的是,今年(2017年)6月15号发射运行的慧眼天文卫星也参加了这个创造了天文学历史的全球大联测!我和同事们那天(2017年8月17号)夜里用慧眼卫星对这个事件进行了观测和几乎实时的数据分析,迅速发布了观测结果!(我还因为在办公室打了个盹而小小地感冒了一场!)因为慧眼卫星的贡献,慧眼团队110科学家带着慧眼的结果加入了这个“天文记录”(全球将近一千个单位的三千多个作者)的历史性论文。

探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作

发现双中子星并合的历史性论文的截图:中国慧眼团队的作者名单。

探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作

发现双中子星并合的历史性论文的截图:中国慧眼团队的致谢。

李淼,中山大学天文与空间科学研究院院长

最期待引力波探测为暗能量研究带来突破


双中子星并合的信号强度本应弱于双黑洞并合,这也说明此次双中子星系统距离地球比较近。根据发布的结果,此次的事件距地球1.3亿光年,又伴有电磁对应体,信号时间又较长,这对引力波的细节研究帮助会非常大。Virgo的加入也使得合作组可以利用距离效应有效扣除系统误差。

来自中国等国的望远镜的加入,也从光学探测的角度加入到了探测中,对LIGO和Virgo起到了辅助的作用。

还应看到,此次发现系技术进步带来的天文与物理观测进展,虽然不可能颠覆已有理论,也不会有新物理产生。但多信使探测手段有助于对天体物理事件做精细的研究,甚至在未来为宇宙学探究打开新的窗口。我最期待引力波探测为暗能量研究带来突破。

王凤枝 本文来源:知识分子 责任编辑:王凤枝_NT2541

责任编辑: 笙火

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