2017年11月18日 星期六

重大发现!人类首次“看到”引力波事件 为相遇探寻百年

来源:东莞时间网 2017-10-17 08:34:40 记者:

▲这张由美国国家科学基金会、美国“激光干涉引力波天文台”、索诺玛州立大学和A. Simonnet提供的效果图显示的是两个合并中的中子星。 新华社 图

▲这张由加州理工学院提供的图片显示,元素周期表中亮黄色部分为中子星合并过程中产生的元素 新华社 图

全球多国科学家16日同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

美国东部时间8月17日8时41分(北京时间20时41分),美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到这个引力波信号。此后2秒,美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。

这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件,标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。

“几十年来,我们一直孜孜以求准备探测双中子星合并的引力波,”美国加州理工学院LIGO数据分析小组负责人艾伦·温斯坦教授说,“那天早上,我们所有的梦想成真。”

LIGO项目组在美国华盛顿发布这一重大发现。中国、德国、英国和法国等国科学家也各自举行新闻发布会。相关论文发表在《科学》《自然》等学术期刊上。

引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪,宛如石头丢进水里产生的波纹。百年前,爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年人类才首次探测到引力波,3名美国科学家因此获得今年的诺贝尔物理学奖。

在8月17日的事件中,全球约70个地面及空间望远镜从红外、X射线、紫外和射电波等波段开展观测,确认引力波信号来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系。

美国田纳西大学天体物理学教授迈克尔·吉德里告诉新华社记者,多信使天文学结合使用多种探测手段,是引力波天文学的一个“圣杯”,“这样的探测将在天文学和天体物理的许多领域开启全新的探索途径。”

中国紫金山天文台副研究员金志平参与的国际团队,通过对此次引力波光学信号的观测和光谱分析,首次提供确凿证据证实,中子星合并是宇宙中金银等元素的主要起源。金志平说:“这就是宇宙中的‘巨型黄金制造厂’。”

深度解读

此次发现意味着什么?

▲这张由加州理工学院、美国国家航空航天局和GROWTH望远镜网络提供的图片显示,紫外、红外和射电波望远镜观测到位于NGC4993星系的两个中子星合并过程中发出的电磁波信号 新华社 图

国际天文界再次被引力波刷屏。多国科学家16日宣布,人类首次直接探测到双中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号。中子星引力波怎么探测?引力波解答了哪些疑问?还有哪些未解之谜?“中国网事”记者就此采访了有关科学家。

引力波怎么探测

北京时间16日晚22时,包括我国在内的多国科学家宣布,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”由这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

据科学家介绍,2017年8月17日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)发现一个新的引力波信号GW170817。这个信号是一个由双中子星合并产生的引力波。全球约70个地面及空间望远镜从红外、X光、紫外和射电波等多个波段开展后续观测。这其中,也包括中国架设在昆仑站的南极巡天望远镜AST3-2。

仅仅在LIGO观测到引力波信号后的1.7秒,美国费米太空望远镜探测到名为GRB170817A的伽马射线暴。“费米几乎在同一时间观测到伽马射线暴,让我们更加兴奋,也更有紧迫感。”加州理工学院LIGO数据分析小组负责人艾伦·温斯坦教授回忆说。

LIGO和费米在遇到强信号时,会自动向天文界发送警报。这是一场与时间的赛跑,世界范围内的望远镜后续观测随即启动。大约11个小时后,位于智利的斯沃普望远镜率先观测到此次信号的光学对应物——位于一个叫NGC4993星系的双中子星系统。

基于AST3-2独立收集到的数据,科研人员还计算出,此次两颗致密中子星合并的过程共抛射出超过3000倍地球质量的物质,这些物质携带有巨大能量,抛射速度达到0.3倍光速。

引力波也被称为“时空的涟漪”。1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言,剧烈的天体活动会带动周围的时空一起波动,这就是引力波的由来。此后百年间,科学界一直在寻找引力波的存在。此前,人类已经发现4例由双黑洞合并产生的引力波。

何以震惊天文学界

为什么中子星引力波引起天文界震动?专家们说,主要原因有三个。

首先,这是人类第一次探测到双中子星合并。LIGO项目组成员、美利坚大学天体物理学家格雷戈里·哈里告诉记者,此前观测到的引力波均来自黑洞。黑洞完全由扭曲时空构成,本质上没有物质,而中子星却是一个切实星体,因此能深入了解核物质的行为。

哈里说,中子星引力波可以用来直接测量到源的距离,而相应的电磁信号给出了速度,由此可用来校准宇宙膨胀速度,即所谓哈勃常数,从而进一步回答宇宙从哪里来、又往哪里去等重大问题。

其次,这是人类第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波,使得确认宿主星系成为可能。这一事件展示了引力波与电磁波等不同研究团队之间开展合作的重要性,也标志着“多信使天文学”跨入新时代。

“我想说的是,这是第一次我们既能‘看到’也能‘听到’一个天文事件,这些不同的‘感官’体验将能给我们很多信息。”哈里说,“引力波天文学才刚刚开始,随着21世纪向前发展,我们可以期待引力波观测将为宇宙学、天文学、天体物理学、核物理学和引力学以及其他领域带来更多见解。”

第三,地面红外望远镜探测到了中子俘获过程,从而第一次提供确凿证据证实了中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源地。

南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲在发给记者的一份电子邮件中开玩笑说:“如果有人问戴着金戒指的女性朋友,她的金戒指从哪儿来?她应该说,这是从银河系中的合并中子星那里产生的。”

还有哪些未解之谜

本次LIGO项目组宣布发现的引力波,来自距地球约1.3亿光年处的双中子星合并。与黑洞合并只产生引力波不同的是,中子星合并除了产生引力波外,还发出了大量的电磁波。

这就是让天文学家感到兴奋的“多信使天文学”。引力波和电磁波作为不同的“信使”,可以告诉我们同一个天文事件在不同方面的信息。美国田纳西大学天体物理学教授迈克尔·吉德里说,“多信使天文学”是天文学家长期追求的“圣杯”,将对相关领域的未来产生巨大影响。

哈里说,如果没有引力波研究,中子星的许多性质都将是长期悬而未解的谜,包括在强引力作用下怎么弯曲变形、合并时将会发生什么情况、质量多大时会形成黑洞等等。

“GW170817不能回答所有这些问题,但它给我们提供了以前没有的信息,并且表明引力波观测是解答这些问题的一个切实可行的方法。”哈里说。

他指出,迄今探测到的5次引力波信号都与爱因斯坦的广义相对论理论完全吻合,但广义相对论却与量子力学不相容,因此一些观点认为广义相对论需要修正。诸如GW170817等事件是少数能在引力极限情况下验证广义相对论的办法之一。“我们还有可能观测到更强、更清晰的信号,那也许能向我们展示爱因斯坦引力理论所不能解释的东西。”

具体到这次事件,双中子星合并之后变成了什么,依然没有答案。科学家列出了两种可能性,一种是变成了非常大质量的中子星,另一种是变成了黑洞。但不管是什么,它的质量大约相当于2.74个太阳。


负责编辑:马盛龙

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