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南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

发布时间:2017-10-17 07:40:01 来源:知识分子 责任编辑:笙火

南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

南极巡天望远镜AST3-1(左), AST3-2(右) 安装在南极冰穹A(2016年1月)。

撰文 | 胡镭 等

责编 | 陈晓雪

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科学背景

引力波是一种不同寻常的波动。简单来说,引力波是当物质的分布随时间发生变化时产生的“时空涟漪”。波一般人都很熟悉,一块石头被丢进水里在湖面上会产生的波纹。但时空的波动和物质的波动确有根本区别。当引力波从宇宙深处传到地球表面的时候,地球上所有的物质都会随之波动,不管重如泰山或轻如鸿毛都会一起随引力波波动。不仅如此,所有的时钟无论多么精确都会相应地时快时慢。

1916年,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其它预言如光线在引力场中弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获观测验证,唯有引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图” 。根据广义相对论,物质“告诉”时空怎样弯曲,而时空“告诉”物质如何运动。当物质的分布随时间而变化时,就有可能产生引力波这种“时空涟漪”。宇宙中每时每刻都充满着时空涟漪,波长(频率)和幅度各不相同。不过,这些时空涟漪的幅度非常小,只有那些发生急剧变化的天体,才能够辐射有可能被现有科学技术设备探测得到的引力波。这些天体,包括了黑洞、中子星等极端致密星构成的双星系统,它们因为不停的辐射引力波而损失能量,相互间距离就越来越近, 最后发生相互碰撞而并合成一个更大质量的黑洞。致密双星在并合前辐射的引力波能量虽然很大,但在时空本身所引起的涟漪却非常小,目前的技术尚无法直接探测。

1993年诺贝尔物理学奖授予泰勒和赫尔斯,就是因为他们自1974年起的30年时间里对脉冲双星PSR1913+16做了持续观测,观测结果精确地按广义相对论所预测的那样半长轴每年缩短3.5米,间接验证了引力波的存在。

2016年2月11,美国地基先进激光干涉引力波天文台(advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, aLIGO)宣布探测到来自双黑洞并合的引力波辐射,一举证实了广义相对论给出的黑洞和引力波两大预言。2017年10月诺贝尔物理学奖授予LIGO的三位奠基者,Rainer Weiss,Barry C. Barish和Kip S. Thorne。引力波的直接探测,从实验上加深了人类对宇宙和时空的了解,是人类科学史上的一个重要里程碑。

引力波发现的重要和深远的意义,还在于它开启了人类探索宇宙和天体的起源、结构和演化的一个新窗口。对于天文学家来说,研究宇宙和天体的信息载体从电磁波延伸到了引力波,它们与诸多中微子、宇宙线探测设备相结合, 带领人类进入多信使天文学的新时代。

然而,引力波信号微弱,探测的难度非常大。特别是,目前LIGO对引力波源空间方位的定位精度不高。例如,第一例引力波源GW150914,LIGO的空间方位误差达到600平方度,相当于2700个太阳密密麻麻排列在天空所占的天区大小。当然,随着地球上其它引力波探测器的联合探测,引力波源的空间定位精度将得到显著改进。这和利用3颗以上GPS导航卫星达到精确导航的原理差不多。未来美国LIGO、意大利VIRGO以及日本、印度等其它引力波探测器的联合探测,引力波源的空间定位精度预期将提高到约10平方度,能够很大程度上提高发现引力波源在传统电磁波段的伴随信号(电磁对应体)的机会。

引力波探测结合传统的电磁辐射(从伽玛射线、 X射线,到光学、红外直至射电)探测,既可以检验现代物理的一些基本假设,也可以研究黑洞、中子星等极端致密天体的性质,将极大地提高引力波事件的科学价值。首先, 电磁辐射对应体的探测,可以精确且独立测定引力波事件的空间方位,并且通过发现引力波源及其电磁对应体的宿主星系。其次,宿主星系的红移结合引力波信号本身计算得到的距离,可以对宇宙学主要参数,特别是哈勃常数进行高精度测量。第三,电磁辐射易于探测,并携带了很多与引力波信号互补性的信息,因此它能帮助科学家全面了解中子星并合的物理过程,并深入研究极端引力、极端密度等条件下的物理规律。

中子星并合和GW170817

中子星并合(双中子星并合、中子星-恒星级质量黑洞并合)过程中产生强烈的引力波辐射,是LIGO/VIRGO等探测器的主要观测对象,也是天文学家最关注的引力波电磁对应体的目标源。中子星双星并合过程中不仅会发射出强引力波辐射,还会抛射出一些高速运动的物质。这些物质内部作用或与中子星外部的星际介质相互作用,可能产生伽玛射线、X射线、紫外、光学以及射电等辐射。

目前爆发时标短于2秒的伽玛暴,普遍认为起源于中子星双星并合事件。中子星并合的过程中向太空中抛射出大量的富含中子的物质,这些物质通过快中子俘获过程产生重元素甚至是宇宙中最重的元素,这些不稳定的重元素随之衰变进而加热外流体,产生为期约1到2周的光学、红外爆发。这个现象由我国学者李立新教授与已故的普林斯顿大学Bohdan Paczynski教授在1998年首先提出, 目前这类现象被命名为“巨新星”(macronova)或者“千新星”(kilonova),因为这类现象比通常的新星要亮一千倍,但比超新星则暗一百倍。 因此,中子星双星并合产生的引力波事件, 在光学、 红外波段最具探测前景。

2017年8月17日LIGO和VIRGO共同探测到的引力波事件GW170817,是人类首次直接探测到的双中子星并合产生的引力波事件。在引力波并合信号发生后的1.7秒,美国宇航局的Fermi伽玛射线卫星和欧洲的INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽玛暴,被命名为GRB170817A。Fermi卫星对该伽玛暴的触发时间为世界标准时间当天的12时41分06.47秒(北京时间当天晚上20时41分)。这是人类首次将电磁波信号与引力波信号毫无疑义的联系在了一起。

最后,引力波和电磁信号的同时探测,可以揭示宇宙超铁元素的起源、高精度测量引力波的速度以及检验爱因斯坦等效原理。 特别值得一提的是,宇宙中比铁更重的元素的起源是21世纪宇宙物理学领域11个重大科学问题之一。

GW170817的重要意义

自爱因斯坦预言引力波到现在,101年过去了。引力波的探测于今年刚刚获得诺贝尔物理奖,在享受此一喜讯所带来的荣誉的同时,LIGO/VIRGO团队及其每一个合作成员, 也同时在致力于GW170817的研究,并以此为标志正式开启了包括引力波在内的包括引力波、中微子、电磁波、宇宙线等多种手段联合探索宇宙的崭新时代。这一里程碑式的事件,将是天文学的一场意义深远的革命,而且如同历史上每一次天文学革命一样,它也必将成为人类文明的标志性事件。

这里需要说明一下LIGO的引力波探测技术已经达到了多么令人震惊的水平。 前面说过,引力波是时空涟漪。探测引力波需要探测到时空的抖动。这个抖动非常非常微小。LIGO的探测器可以探测到惊人的质子直径万分之一的细微变化。地球上一个极其微小的震动都有可能掩盖引力波微弱的信号。LIGO/VIRGO可以成功剔除各种噪音,实现其宏伟的科学目标,这自然是人类科技文明的一个重大进步。

南极巡天望远镜观测GW170817

a.测光观测

全球有超过50台天文设备对GW170817开展了精细观测。南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在南极运行的AST3-2也对GW170817开展了密集观测。

AST3合作团队也是深、宽场巡天(Deep Wide Field,简称DWF)的合作团队。双方联合利用几乎澳大利亚所有望远镜以及欧洲南方天文台的8米大口径望远镜对GW 170817从光学到近红外进行了观测。 AST3团队由此获得大量有关GW170817的重要数据。

AST3望远镜位于南极大陆的最高点冰穹A,其地理纬度为-80度22分。GW170817虽然位于南天区,但在天球上的赤纬为–23度22分53.350秒,对AST3来说却是非常靠北面了。用AST3观测GW 170817,需要把望远镜指向距离地面只有20几度的方向。 AST3在历年观测中从来没有指向过这么低的位置。为望远镜的安全考虑,我们所有观测都要求在较高的赤纬方向观测。 AST3是全球首个在南极运行的全遥控望远镜,如果望远镜在观测期间失控而卡在赤纬较低的方向,等到南极夏天就不可避免地会被太阳直射,损坏精心研制的精密设备。但GW 170817如此之特殊, AST3团队在得到坐标位置后,本来非常谨慎的运行团队几乎在没有任何异议的情况下,停止了所有其它的观测计划,立刻对GW170817开始了观测。

此时的冰穹A漫长的极夜刚刚结束,就在此数天前我们刚得知望远镜旁的太阳能板已捕捉到了极夜后的第一缕阳光,这意味着南极最佳的观测时间段实际上已经过去。尽管在这样极端的条件下,我们仍然认为这值得一试。 北京时间8月18日夜晚21:00,繁星再一次密布于冰穹A的上空(图1), 而从南极传回的图像中我们也清晰的看到宿主星系NGC 4993。得益于AST3-2稳定的主轴和机械结构设计,在接下来约两个半小时的窗口期内,望远镜成功地对这片天区进行了连续不间断的观测,共采集了21张长曝光图像,而正是这段时间的数据,让我们最终探测到了第一例来自双中子星合并的光学对应体信号。为了尽可能地记录下对应体亮度随时间的演化,我们的观测一直持续到了8月28日。

南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

图1 : AST3-2在8月18日观测窗口期内目标地平高度( 30度)的示意图。

与观测同步进行的还有数据的分析和处理。 由于南极独特的地理位置,我们的图像数据需要依靠速度缓慢的铱星卫星进行传输,为了节省宝贵的时间和昂贵的通讯费用,必须远程对存放在南极的大量数据进行及时的分析,然后将有效的数据传回做进一步的处理。事实上,尽管我们已经知道望远镜拍摄到了宿主星系,但却很难直接地从单次曝光的图像中,判断出是否有来自光学对应体的信号,因此我们使用了图像相减的方式来进行信号探测。这就如同我们难以发现一只停在路灯旁的萤火虫一样,而只有当我们关掉这盏灯时萤火虫才能被看到。

经过几天的数据采集, 以及对缓慢的数据传输的等待, 紫金山天文台南极天文中心的两名研究生胡镭、孙天瑞在国家天文台的博士生马斌和南京大学的博士生梁恩思同学的协作下,调试好了数据分析程序, 这盏“灯”成功地被我们关掉,8月18日观测图像中的光学信号也终于浮出了水面(图2), 而信号所在的天球坐标与LIGO合作组给出的双中子星并合的位置完全吻合,其偏差小于一个角秒,自此我们也就确认了AST3已经成功探测到了来自GW 170817引力波事件的光学对应体。

南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

图2: AST3-2在8月18日观测窗口期内引力波光学信号(红色方框内)。

当胡镭在微信里第一次告诉大家,AST3已经探测到GW 170817的光学信号时,整个AST3团队都非常激动。AST3望远镜登上天文观测研究的大舞台期待中的这一天终于来到了。

随着数据进一步进行测光处理,我们很快测量出AST3在引力波信号之后的1天左右的窗口期内(即18日的观测),目标的i波段星等由17.23星等降到了17.72星等。由于目标源的快速变暗,8月18日之后的图像中没有再探测到信号,但也提供了两个可靠的测光上限。

紧接着紫金山天文台吴雪峰研究员与南京大学戴子高教授、博士生刘良端和肖笛博士开始尝试利用千新星(kilonova)的半解析模型拟合了AST3的观测数据(图3)。 通过计算, 我们发现这次双中子星并合产生约1%太阳质量并以大约光速的30%快速运动的抛射物,也可以说是抛出超过3000个地球质量的富含中子的物质,这些物质通过快中子俘获过程,核合成重元素,部分形成比铁还重的超重元素。 AST3的观测数据与国际其它望远镜探测得到的数据一起, 对我们认识双中子星并合的物理过程提供了非常重要的信息。

南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

图3: AST3-2测光数据显示的GW 170817光学对应体时间演化和千新星(kilonova)半解析模型拟合结果。

b.与澳大利亚的合作观测

我国天文学家和澳大利亚天文学家有着长期的、非常深入的合作。 AST3望远镜本身就获益于新南威尔士大学所提供的发电系统。在这次对GW 170817的观测中,这个合作又发挥了巨大做用。 AST3望远镜所获得的数据恰好在GW170817光学对应体开始的下降阶段。这对研究kilonova的物理性质非常重要。

AST3的数据与澳大利亚的测光与光谱数据结合,对GW170817的物理过程给出了非常重要的限制。双方合作所写的研究论文也将在今日发表。

南极巡天望远镜介绍

a.望远镜研制运行

南极巡天望远镜AST3是国际上首套可远程遥控无人值守运行的南极光学望远镜(本文首图),口径500/680mm,视场4.3平方度,包括3台不同滤光片的望远镜,中科院南京天文光学技术研究所采用了创新设计的大视场折反式光学系统,既具有经典施密特系统的优良像质,又具有镜筒短,结构紧凑和消畸变及大气色散校正等优点。中科院国家天文台团队为AST3望远镜定制了具有高度冗余的运控和数据系统,包括自动的巡天规划和观测、数据安全存储和实时处理、以及自动报警和实施监测等(http://aag.bao.ac.cn/klaws/, 图5),完全实现了AST3在南极冰穹A无人值守的全自动可靠运行,属国际首创。

南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

图5 : 南极巡天望远镜AST3的仪器设备实时监控系统。

AST3的研制和运行是跨学科成功合作的典范。在国家海洋局南极科考的大力支持下,项目主要参与单位包括中科院紫金山天文台、中科院国家天文台、中科院南京天文光学技术研究所、海洋局中国极地研究中心、天津师范大学、南京大学、清华大学、北京师范大学、天津大学、澳大利亚新南威尔士大学、英澳天文台和斯威本科技大学。在南极天文近10年的发展中,项目也先后获得了多方的经费支持,包括国家自然科学基金委、中科院方向性重点、紫金山天文台、国家天文台、南京天文光学技术研究所、 清华大学、南京大学、北京师范大学以及科技部973项目。

南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

图6:第二台南极巡天望远镜AST3-2。

目前在运行的是第2台南极巡天望远镜AST3-2(图6),配置i波段滤光片,2017年首次实现了望远镜无人值守的全年越冬观测,国内首次批量发现了系外行星的候选体,并成功观测到引力波GW170817的光学对应体。参加望远镜运行的单位包括中科院国家天文台AST3运控中心, 南京天文光学技术研究所课题组,紫金山天文台南极天文中心和南京大学系外行星组。

b. 其他科学内容: 高精度系外行星探测

太阳系外行星探测是目前国际上非常前沿的课题,其最终目标之一是在太阳系近邻发现适合生命居住的宜居行星。由于行星自身辐射非常弱,离宿主恒星又非常近,系外行星的探测极其困难。1995年瑞士日内瓦M. Mayor团组和美国UC伯克利大学G. Marcy团组宣布首次观测到系外行星,由此揭开了系外行星发现的序幕。这两位科学家也分享了2005年的邵逸夫天文学奖。

南极巡天望远镜团队自述:来自中子星并合的引力波

图7. AST3-2对TESS南天目标区域的扫描观测。在这个TESS重点覆盖天区内, AST3-2的测光精度达到了0.001星等,并找到了100余个太阳系外行星候选体。

2009年Kepler卫星上天,利用行星掩食宿主恒星产生的光变发现了近4500颗左右的系外行星候选体(其中2330颗被后续证认),确定了里程碑式的成就,Kepler卫星的设计者W. J. Boruchi也获得了2015年邵逸夫天文学奖。得益于南极冰穹最高点(Dome A中国昆仑站)的优秀测光条件以及得天独厚的连续极夜环境,安装在此的望远镜在搜寻行星掩食宿主恒星的光变信号方面具有独特的优势。通过昆仑站的CSTAR(口径为14.5公分的中国之星望远镜阵列)和AST3-2望远镜在2008、 2016及2017年的观测,以南京大学课题组为主, 中国南极天文合作团队发现了100余颗高置信度的系外行星候选体,其中6颗基本被证认。这也是国际上首次在南极天区批量发现系外行星候选体。

对国家重大科技基础设施南极昆仑站天文台建设的意义南极巡天望远镜是国际上首套可远程遥控无人值守运行的南极光学望远镜,2017年AST3-2成功实现全年越冬观测,表明面向南极内陆极端环境下的光学望远镜研制关键技术取得了突破性进展, 同时在无人值守遥控运行方面也积累了成功经验。 正在研制的第3台AST3-3望远镜还将观测范围拓展到近红外波段,可以有效利用南极昆仑站地区红外观测的优秀台址条件,为我国开展近红外波段时域巡天和系外行星探测研究提供了重要机遇,有望突破中国红外天文观测的瓶颈。

为充分利用昆仑站珍稀台址资源,面向重大科学问题,由国家海洋局和中国科学院共同建议的南极昆仑站天文台包含2.5米光学红外望远镜和5米太赫兹望远镜两台天文观测设备, 以及台址设施、 能源通信与交通和运控等支撑系统。 南极巡天望远镜作为科学与技术上的先驱,其成功观测为南极昆仑站天文台建设提供了全面的技术储备和人才基础, 为我国在南极天文研究领域取得国际领先地位奠定了坚实基础。

参与观测及数据处理主要人员

紫金山天文台:胡镭 王力帆 吴雪峰 孙天瑞

南京大学:梁恩思 刘良瑞

国家天文台:马斌

南京天光所:袁祥岩 李晓燕 李正阳

注:本文系南极天文团队各成员(单位)共同所著。

制版编辑: 许逸|

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责任编辑: 笙火

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