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天文大新闻:首次探测到中子星引力波
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  • 网站编辑:blackie
  • 发布时间:2017.10.17
天文大新闻:首次探测到中子星引力波
插图中展示的是,两颗中子星相互撞在了一起。2017年8月16日,天文学家宣布,首次探测到了中子星相撞产生的引力波。
插图:ROBIN DIENEL; COURTESY THE CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE
 
撰文:Nadia Drake
 
  约13亿年前,两颗死星激烈碰撞,并产生一系列事件。过去两个月里,这些事件让地球上的天文学家们几乎癫狂。
 
  在昨晚跨几个大洲举行的新闻发布会上,科学家宣布首次探测到两颗中子星碰撞产生的引力波。
 
  1916年,爱因斯坦首次提出引力波的概念。它是由极端剧烈的宇宙事件引发的时空扭曲或畸变。迄今为止,所有已证实的探测都与两个黑洞的碰撞融合相关,并没有探测到可见信号。
 
  但是,对于最近这次事件,研究团队采用了约70个天文台的约100个设备,以多个波长追踪并观测到了这场大灾难,首次让科学家们可以仔细地检查这些引力波的源头。
 
  加州大学圣巴巴拉分校的Andy Howell说:“我们看到的是人类此前从未见过的全新现象。它如此美妙,可能在我们的有生之年都无法重现。”
 
  与黑洞相撞不同,相撞的中子星会产生金属放射性碎屑,可以通过望远镜观测到,但前提是要知道何时、以及往哪个方向看。
 
  “我们能感觉到宇宙因两颗中子星融合而颤抖,因此我们知道该看向哪里,该把望远镜指向哪里。”Howell说道。他的团队与另外几个团队,共同追踪了产生引力波信号的两颗中子星。
 
时空涟漪
 
  由爱因斯坦提出,并在2016年被证实的引力波,最终通过中子星的相撞融合而被人类观测到。中子星,是巨大的恒星爆炸性死亡之后,留下的超密恒星遗体。
 
  两颗中子星围绕彼此旋转;离得越近,它们也转得越快。最终,它们撞在了一起。旋转与融合产生的能量,以引力波的形式向外传播。
 
巨大能量
 
  中子星融合很可能会形成一个黑洞,但也有可能形成一个质量反常的大中子星。无论如何,最终形成的天体质量会比两个中子星的质量之和小一些。据估计,相当于约25个木星的质量转化成了引力波。这次碰撞也产生了相当于50个木星质量的重元素,如金和银。

天文大新闻:首次探测到中子星引力波
 
  最终,参与此次引力波探测、参与此次天体物理学取证的人员约有3500名。这项大工程今天以40篇论文发表在了《Science》《Physical Review Letters》等科学期刊上。
 
  总之,这些观测结果帮助科学家们验证了物理学一些长期存在的理论,解决了关于宇宙中金等重金属的起源,而且有了通过引力波天文学这类新型领域,此类发现才能成为可能。
 
“  这是第一次我们听到两颗中子星的死亡旋转,我们也看到了它们最终融合时释放出来的烟花。”美国西北大学的Vicky Kalogera在华盛顿特区的新闻发布会上如是评论。
 
探索时间
 
  其实,首次、间接发现引力波的存在是在1974年。但是,几十年来,这些波都被证实难以捉摸,因为地球上时空扭曲的量实在太小,尺度相当于原子核直径的几分之一。
 
  为了感知宇宙中这类小的可怜的波动,研究人员创立了激光干涉引力波天文台(LIGO)。当引力波冲击地球时,该天文台的两个探测器能分别用激光测量几对镜子之间的距离变化。如今,欧洲室女座天文台(Virgo)的第三个探测器如今也在以同样的原理工作。
 
天文大新闻:首次探测到中子星引力波
这张全天图上现实了迄今为止已经证实的引力波,以及即将进行探测的一次引力波。条纹显示出了每次事件所引起的时空波动,数字则表示探测到的日期,比如,最近的一次事件GW170817,是在2017年8月17日探测到的。
插图:LIGO/VIRGO/NASA/LEO SINGER/AXEL MELLINGER
 
  2016年初,LIGO的科学家宣布一项重大发现:他们敏感度极高的仪器终于探测到了引力波。此后,LIGO又确认了3次引力波事件,每次都是由黑洞融合引起的。该团队的3名首席科学家也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。
 
  但是,今年8月17日凌晨,LIGO探测器记录下了新情况。使几面镜子的距离绷紧的引力波表明,似乎其来源并非黑洞,而是融合的死星。
 
  引力波信号使LIGO探测器颤动两秒之后,美国宇航局的费米伽玛射线空间望远镜捕捉到了从同一块天域传来的一缕伽马射线。这一缕伽马射线持续了不到两秒,似乎是一次短暂的伽马射线爆发;据认为,此类事件是由相撞的中子星产生的。
 
  难道是巧合?LIGO-Virgo团队并不这么认为。该团队立即向天文学同行发出讯息,告诉观测人员,如果他们迅速行动,他们可能会探测到中子星相互碰撞产生的碎屑,并且首次看到引力波诞生之后的后续。
 
  这一讯息引发了全球多个团队的后续观测,而且所有团队都希望能帮忙把这块拼图的全貌拼出来。但首先,最关键的是,团队需要知道把他们昂贵的设备指向何方。
 
与死星共舞
 
  先让我们认识一下加州大学圣克鲁兹分校的博士后Charlie Kilpatrick。在引力波和伽马射线出现之后,Kilpatrick及其同事迅速从同一片星空梳理出了大量星系,试图找出新信号的源头。
 
  他们先联系了智利境内一架小型的、不起眼的望远镜,等智利天黑之后,他们开始计划将望远镜指向每个星系,寻找活动的信号。但是他们必须抓紧时间:那一片天空只能观测一两个小时,便会沉入地平线之下。
 
天文大新闻:首次探测到中子星引力波

天文大新闻:首次探测到中子星引力波
左边是哈勃望远镜在这次引力波探测之前4个月拍摄的,展示的是椭圆星系NGC 4993;而智利斯沃普望远镜在8月份拍摄的图像(下)显示,该星系中出现了一颗亮点。
供图:HUBBLE/STSCI (上) AND PHOTOGRAPH BY 1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY (下)
 
  在LIGO-Virgo的警报拉响10小时之后,Kilpatrick观测的第5个星系中,出现了一颗从未见过的亮点。这个非常诱人的信号显示,某个大事件已经发生。该团队发送电报给其他人,告知此次发行。42分钟内,另外5个团队(其中包括Howell的团队)也瞄准了这个星系。
 
  “对于这么大个事,我的反应有点儿慢。”Kilpatrick说道。
 
  接下来几天,大批天文台开始加入。几周内,椭圆星系NGC 4993边缘的引力波源,成了天空中最受关注的一点。
 
  在那片天域中,两颗中子星已经相互旋转了很久。它们令人窒息的舞蹈,将会以一场剧烈的死亡告终。经过几百万年的共舞,它们的死亡如此激烈,甚至让时空发生了扭曲和畸变,产生的引力波以光速向宇宙传播,并最终把它们的讣告发给了我们地球。
 
大爆炸理论
 
  幸亏有了迅速的探测工作,科学家们才能够研究电磁光谱(包括无线电波和伽马射线)中的爆发。
 
  这次融合如今也解决了元素周期表中重元素起源的争论,比如金、铂等贵重金属,以及科学家们用来制造LIGO激光的钕元素。
 
天文大新闻:首次探测到中子星引力波
两颗中子星相互旋转融合时产生的时空涟漪。
插图:NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY/A. SIMONNET
 
  长期以来,科学家们认为这些金属主要是大恒星在死亡爆炸(超新星爆炸)时爆发出来的。但是,最近的研究表明,这类超新星所喷射出来的金属,并无法解释我们所看到的这么多量。
 
  产生这些元素需要大量的中子;正如人们所推测的那样,这么大量的重金属元素是中子星撕裂时产生的。
 
  通过在红外线下研究中子星相撞,研究团队确定爆炸的碎屑中包含有至少相当于10000个地球的贵金属,足以解释宇宙中观测到重金属的数量。
 
  “这类事件事实上可以解释今天宇宙中所有金、所有重元素的存在。”加州大学圣克鲁兹分校的Enrico Ramirez-Ruiz说道。关于这次观测,他认为“数据的水平和数量非常令人惊叹,非常美妙。”
 
  然而,这类事件仍然带来了不少疑问。比如,两颗中子星相撞之后究竟会产生什么。我们只知道,碰撞后的遗留物的质量相当于2.6个太阳。
 
  亚利桑那大学的Feryal Ozel认为,鉴于这个质量以及中子星的形成机制,很可能最终会产生一个黑洞。另有人提出了一种不太可能的结果,比如形成一颗反常的、超级重的中子星。但是,就目前科学家对中子星物理性质的了解,那样的中子星会分裂开来。
 
更怪异的事物
 
  无论结果如何,这次大碰撞后的残留物,引发了许多关于宇宙最致密天体的问题。
 
  “没有人曾观测到相当于2-5个太阳质量的中子星或者黑洞。”LIGO团队成员、加州理工大学的Alan Weinstein说道。
 
天文大新闻:首次探测到中子星引力波

天文大新闻:首次探测到中子星引力波
天文学家利用智利的斯沃普和麦哲伦望远镜,记录下了此次中子星爆炸:可见光下,一颗亮点突然出现,然后暗淡。大约7天后,可见光波长下,已经无法探测到这颗亮点。
供图:1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY
 
  此外,这次爆炸及其后续并没有如人们预测的那样上演。加州理工的 Mansi Kasliwal说,伽马射线爆发相对较弱,比此前的类似事件要微弱许多。另,伽马射线爆发后,X射线和无线电波到达探测器的时间也晚了一些。
 
  加拿大麦吉尔大学的Daryl Haggard认为,这可能意味着,爆炸产生的高速辐射流并没有直接对准地球,反而有点偏离。他的团队使用钱德拉X射线天文台观测到了此次中子星融合。
 
  或者,可能意味着还发生了更为复杂的事件。Kasliwal认为,爆炸产生的一团高能碎屑阻碍了最初产生的一些喷射流(如X射线和无线电波)。科学家们希望,在后续相当长一段时间内都能观测到的无线电波,能帮助化解这个疑问。
 
  “尽管无线电抵达得比较晚,但它们离开得也最晚,而且还是带着礼物而来!”加州理工的Gregg Hallinan调侃道。
 
  然而,进一步观测必须要等一等,因为该星系的位置如今非常接近太阳,某些望远镜观测起来会过于危险。当它稍微远离太阳的光辉之后,许多望远镜将再次瞄准大碰撞之后的遗迹。
 
  与此同时,毫无疑问,天文学家们将会庆祝他们第一次观测到如此多的细节。
 
  “这个东西是在13亿年前爆炸的。如果它晚一个月爆炸,我们根本就看不到了。很多探测器都会关掉,而它也会躲进太阳背后。”
 
  (译者:mikegao)
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