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2017-10-18 22:34:17 | 人氣(1,159) | 回應(0) | 上一篇 | 下一篇

引力波三大重要新發現:首次探測到中子星碰撞引力波

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國家科學基金會推特賬號:”今天,我們很高興地宣佈,科學家們已經探測到了源自兩顆中子星合併的引力波信號,那是最小,密度最高的恆星。

  新浪科技訊 北京時間10月16日晚間消息,科學家們剛剛宣佈他們首次檢測到了一種新型的引力波,來自中子星合併事件,並且與前幾次引力波事件都不同的是,此次科學家們還檢測到了產生此次引力波信號的對應天體。如果將引力波比作聲音,而將光學波段的觀測比作視覺,那麼此前四次的引力波信號都是“只聞其聲,不見其人”,而這一次,我們找到了引力波信號對應的天體,可謂“聞其聲,且見其人”——面對廣袤宇宙,我們變得“耳聰目明”了!


  這一里程碑式的發現開啟了發佈會專家所稱的“multimessenger astrophysics”(多信使天體物理學),這將大大有助於我們加深對於宇宙的認識。本次觀測同時也首次提供了確鑿證據,證明中子星的碰撞事件是宇宙中很多重元素,包括金,鉑,以及其他多種重元素的重要來源。


  科學家們如何描述他們的發現?用最早探測到引力波信號的LIGO合作組科學家理查德·肖內斯(Richard O‘Shaughnessy)的話來說,就是“最完美的失敗”。什麼意思呢?因為“這將完全改變我們研究天文的方式。但這太美妙啦!”


簡單說一下:這次發佈會究竟有啥新發現?

1) 首次觀測到新型引力波

  自從2015年9月14日科學家首次探測到引力波信號以來,我們已經陸陸續續探測到4次引力波信號,但它們無一例外都是來自兩個黑洞的合併。而今天的發佈會上說的是,科學家們在今年8月17號又探測到第五次引力波信號,這次和前四次都不一樣,它來自兩顆中子星的合併。說具體一些,參與其中的兩顆中子星質量分別為1.1倍以及1.6倍太陽質量,距離地球大約1.3億光年。


2) 首次觀測到引力波光學對應體

  什麼意思呢?通俗的說吧,前四次引力波信號都只是聽了個響,但沒見著真身。但這回不同!科學家們找到了產生這次引力波信號的天體在天空中的位置,並且調動全球各地的望遠鏡對它進行了詳細觀測!


3) 首次證實中子星合併事件可以產生大量重元素

  這個可以說是一個副產品了。科學家們在對這個光學對應體進行觀測時候,發現這兩個中子星合併的過程中產生了大量的重元素,比如金,珀,以及鈾之類。這是對之前理論的一次證實。





迄今為止,全部探測到的五次引力波事件。前面四個都來自黑洞的合併,最下面那個是今天宣佈的,首個來自中子星合併的引力波信號。可以看到,這一信號的持續時間明顯要比之前來自黑洞合併的引力波信號長得多


一次全新的探測

  引力波是由於大質量天體的劇烈運動造成的時空漣漪。這種漣漪會以光速向四周傳播,但它們的穿透性要強大的多,它們不會像光線那樣容易被散射或者吸收。

  1916年,愛因斯坦最早在它的廣義相對論中提出了引力波的預言。但對引力波的直接探測還要等到100年後的今天。里程碑事件出現在2015年,LIGO合作組的科學家們首次檢測到了來自兩個黑洞相互合併產生的引力波信號。


  這項突破性進展讓該項目的三位主要組織者共同獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。在那之後,LIGO研究組沒有停歇,他們緊接著又探測到了三次引力波事件,它們有一個共同點,那就是它們無一例外,都是來自於兩個黑洞的合併。





就在本次引力波事件探測到的同時,美國宇航局的費米伽馬射線空間望遠鏡檢測到一次伽馬射線爆發,這是首次觀測到引力波事件對應的電磁波段對應信號


  但是,第五次引力波事件,正如剛剛(10月16日北京時間22:00)宣佈的消息那樣——完全不同!在2017年8月17日,LIGO下屬的兩台分別位於華盛頓州和路易斯安納州的引力波探測器都接收到了一個持續大約100秒的信號,這樣的長度遠遠超過了此前黑洞合併過程產生的,持續時間僅有不到一秒鐘的引力波信號。


  LIGO科學合作組新聞發言人,美國麻省理工學院科維理天體物理與空間研究所高級研究員大衛·舒梅克(David Shoemaker)表示:“我們很快意識到,這可能是來自中子星的引力波信號。這是我們一直想要看到的信號,也是我們曾經向世界許諾將會探測到的信號。”


  LIGO合作組科學家們的計算顯示此次事件中相互碰撞的兩顆中子星質量分別為1.1倍以及1.6倍太陽質量。相比之下,此前幾次引力波信號中,發生碰撞的都是黑洞,它們的質量通常都在數十倍太陽質量的量級。


  中子星是大質量恆星在發生超新星爆發死亡後留下的殘骸,它們是宇宙中最奇異的天體類型之一。

  美國卡內基學院的理論天體物理學家托尼·皮羅(Tony Piro)表示:“中子星是最接近黑洞但沒有變成黑洞的天體,它們的密度極大,僅次於黑洞。一湯匙的中子星物質幾乎相當於全世界70億人的體重加在一起的總和。”





兩台LIGO探測器,以及歐洲VIRGO探測器位置示意圖

團隊合作

  本次探測到的引力波事件代號GW170817,意思是它是在2017年8月17日被探測到的。位於意大利比薩附近的歐洲Virgo引力波探測器同樣探測到了這次信號。幾乎與此同時,正在太空運行的美國宇航局費米伽馬射線探測器鎖定了一次伽馬射線爆發事件——伽馬射線是能量最高的光子——這次伽馬射線爆發的方向與引力波信號指示的方向一致。


  所有這些都科學家們得以將本次引力波信號的來源圈定到一片很小的天空區域內。研究團隊決定將這些信息分享給全球各地的同行們,請求他們的協助,調用全世界的地面和太空望遠鏡設備對這一來源方向進行協同觀測。


  這樣的通力合作很快產生了成果。就在引力波信號被探測到之後的數小時內,皮羅和他的同事們便借助位於智利境內的Las Campanas天文台鎖定了一個距離地球大約1.3億光年外的對應光學天體。





隨後,全球70多個天文機構,調用100多台設備,從各個波段對此次引力波事件的光學對應體進行了觀測


  同樣來自卡內基研究院的喬西·西蒙(Josh Simon)表示:“我們在一個臨近星系附近觀測到一個明亮的藍色光源,這是我們首次觀測到中子星合併的光學畫面。那真是太令人激動了!”


好多的黃金和鉑金!

  隨後,又過了大約1小時,借助同樣設在智利境內的南雙子望遠鏡,研究人員在紅外波段同樣鎖定了這個對應天體。很快,全球各地的專業人員通過各種設備,在電磁波的各個波段——從射電波段到X射線波段,對這個目標進行了觀測。

  這些觀測顯示,部分觀測到的光線來自一些重元素,如金和鈾元素產生的放射性螢光,它們是在兩顆中子星發生合併時產生的。


  這又是一項重要進展!科學家們知道在宇宙大爆炸時產生了大量輕元素,主要是氫和氦,除此之外在元素週期表上一直到鐵的所有這些元素,基本都是在恆星內部的核聚變過程中產生的,但比這質量更大的元素究竟如何產生,一直未能得到很好的理解。


  哈佛大學史密森天體物理學中心的厄爾多·貝格(Edo Berger)表示:“此前元素週期表中那些質量最大的元素的起源一直不甚明了,直到今天——我們瞭解到,它們可以在中子星的合併過程中被產生出來。”他說:“每次這樣的合併事件都能產生質量超過一個地球的貴金屬,比如珀金和黃金,還有很多非常稀少的稀土元素。”事實上,科學家們的計算顯示,今年8月17號觀測到的這次中子星合併事件,產生了相當於10倍地球質量的黃金和鉑金。


未來可期

  針對GW170817引力波事件的深入調查正在揭示更多重要細節:

  比如說,此次研究證明,引力波的傳播速度的確正如理論所預言的那樣,是以光速傳播的。為什麼這麼說呢?因為美國宇航局的費米空間望遠鏡探測到伽馬射線信號的時間只比引力波天文台觀測到引力波信號的時間晚了大約2秒鐘。


  但GW170817僅僅是開端,未來它將有望幫助科學家們校正天體的距離。比如說,它理論上可以幫助天文學家們更加精確地判定宇宙膨脹的速率。此前借助各種參照,比如超新星爆發或者宇宙微波背景輻射標定的描述宇宙膨脹的參數,也就是所謂的哈勃常數數值一直不夠精準,而引力波將有望成為新的定標工具。


  或許,此次最新的進展最令人興奮的地方還在於,引力波天文學本身還處於剛剛開始的階段,未來還擁有廣闊的想像空間可以讓我們去自由探索。(晨風)


中國南極巡天望遠鏡追蹤到引力波事件的首例光學信號

  2016年2月11日,美國地基先進激光干涉引力波天文台LIGO宣佈探測到來自雙黑洞併合的引力波輻射,一舉證實了廣義相對論給出的黑洞和引力波兩大預言。2017年10月諾貝爾物理學獎授予LIGO的三位奠基者。





圖1:AST3-2在8月18日觀測窗口期內引力波光學信號(紅色方框內)。

  2017年8月17日,LIGO和VIRGO(歐洲“室女座”引力波探測器)共同探測到的引力波事件GW 170817,是人類首次直接探測到由兩顆中子星併合產生的引力波事件。隨後的幾秒之內,美國宇航局Fermi伽瑪射線衛星和歐洲INTEGRAL衛星都探測到了一個極弱的短時標伽瑪暴GRB 170817A。全球有幾十台天文設備對GW 170817開展了後隨觀測,確定這次的引力波事件發生在距離地球1.3億光年之外的編號為NGC 4993的星系中。


  自北京時間2017年8月18日21:10起(即距離此次引力波事件發生24小時後),中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極崑崙站運行的第2台望遠鏡AST3-2對GW 170817開展了有效的觀測,此次觀測持續到8月28日,期間獲得了大量的重要數據,並探測到此次引力波事件的光學信號(圖1)。

這些數據和全球其他天文台的觀測結果一起揭示了此次雙中子星併合拋射出1 %量級太陽質量(超過3000 個地球質量)的物質,這些物質以0.3倍的光速被拋到星際空間,拋射過程中部分物質發生核合成,形成比鐵還重的元素。因此,這次引力波光學對應體的發現,證實了雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素(金、銀)的起源。





圖2:第二台南極巡天望遠鏡AST3-2。

  AST3-2是我國在崑崙站安裝的第二台南極巡天望遠鏡(圖2)。其有效通光口徑50釐米,是南極現有最大的光學望遠鏡,並且完全實現了極端環境下的無人值守全自動觀測。目前,AST3-2主要進行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學對應體探測等天文前沿研究。

台長: 聖天使

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