[科普中國]-重要新發(fā)現(xiàn)：首次探測到雙中子星碰撞引力波

國家科學基金會推特賬號：”今天，我們很高興地宣布，科學家們已經(jīng)探測到了源自兩顆中子星合并的引力波信號，那是最小，密度最高的恒星?？茖W家們16日宣布他們首次檢測到了一種新型的引力波，來自中子星合并事件，并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(chǎn)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，那么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(fā)現(xiàn)開啟了發(fā)布會專家所稱的“multimessengerastrophysics”（多信使天體物理學），這將大大有助于我們加深對于宇宙的認識。本次觀測同時也首次提供了確鑿證據(jù)，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(fā)現(xiàn)？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（RichardO‘Shaughnessy）的話來說，就是“最完美的失敗”。什么意思呢？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(fā)布會究竟有啥新發(fā)現(xiàn)？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(jīng)陸陸續(xù)續(xù)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并。而今天的發(fā)布會上說的是，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并。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么意思呢？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(chǎn)生這次引力波信號的天體在天空中的位置，并且調動全球各地的望遠鏡對它進行了詳細觀測！3）首次證實中子星合并事件可以產(chǎn)生大量重元素這個可以說是一個副產(chǎn)品了?？茖W家們在對這個光學對應體進行觀測時候，發(fā)現(xiàn)這兩個中子星合并的過程中產(chǎn)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并，最下面那個是今天宣布的，首個來自中子星合并的引力波信號。可以看到，這一信號的持續(xù)時間明顯要比之前來自黑洞合并的引力波信號長得多迄今為止，全部探測到的五次引力波事件。前面四個都來自黑洞的合并，最下面那個是今天宣布的，首個來自中子星合并的引力波信號?？梢钥吹剑@一信號的持續(xù)時間明顯要比之前來自黑洞合并的引力波信號長得多一次全新的探測引力波是由于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年后的今天。里程碑事件出現(xiàn)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并產(chǎn)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。在那之后，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，都是來自于兩個黑洞的合并。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(fā)，這是首次觀測到引力波事件對應的電磁波段對應信號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(fā)，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）宣布的消息那樣——完全不同！在2017年8月17日，LIGO下屬的兩臺分別位于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(xù)大約100秒的信號，這樣的長度遠遠超過了此前黑洞合并過程產(chǎn)生的，持續(xù)時間僅有不到一秒鐘的引力波信號。LIGO科學合作組新聞發(fā)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(wèi)·舒梅克（DavidShoemaker）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(jīng)向世界許諾將會探測到的信號?！盠IGO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(fā)生碰撞的都是黑洞，它們的質量通常都在數(shù)十倍太陽質量的量級。中子星是大質量恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)死亡后留下的殘骸，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（TonyPiro）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，僅次于黑洞。一湯匙的中子星物質幾乎相當于全世界70億人的體重加在一起的總和?！?img src="https://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/n1Us2gjyYxmht8sposYFaQyulXHFJABCBo5q.png" alt="" />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。位于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(fā)事件——伽馬射線是能量最高的光子——這次伽馬射線爆發(fā)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(qū)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(xié)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(xié)同觀測。這樣的通力合作很快產(chǎn)生了成果。就在引力波信號被探測到之后的數(shù)小時內，皮羅和他的同事們便借助位于智利境內的LasCampanas天文臺鎖定了一個距離地球大約1.3億光年外的對應光學天體。隨后，全球70多個天文機構，調用100多臺設備，從各個波段對此次引力波事件的光學對應體進行了觀測，隨后，全球70多個天文機構，調用100多臺設備，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（JoshSimon）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并的光學畫面。那真是太令人激動了！”好多的黃金和鉑金！隨后，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(yè)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(chǎn)生的放射性熒光，它們是在兩顆中子星發(fā)生合并時產(chǎn)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(chǎn)生了大量輕元素，主要是氫和氦，除此之外在元素周期表上一直到鐵的所有這些元素，基本都是在恒星內部的核聚變過程中產(chǎn)生的，但比這質量更大的元素究竟如何產(chǎn)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（EdoBerger）表示：“此前元素周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——我們了解到，它們可以在中子星的合并過程中被產(chǎn)生出來?！彼f：“每次這樣的合并事件都能產(chǎn)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?！笔聦嵣?，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并事件，產(chǎn)生了相當于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(jié)：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。為什么這么說呢？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臺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(fā)或者宇宙微波背景輻射標定的描述宇宙膨脹的參數(shù)，也就是所謂的哈勃常數(shù)數(shù)值一直不夠精準，而引力波將有望成為新的定標工具?；蛟S，此次最新的進展最令人興奮的地方還在于，引力波天文學本身還處于剛剛開始的階段，未來還擁有廣闊的想象空間可以讓我們去自由探索。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臺LIGO宣布探測到來自雙黑洞并合的引力波輻射，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）。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GW170817，是人類首次直接探測到由兩顆中子星并合產(chǎn)生的引力波事件。隨后的幾秒之內，美國宇航局Fermi伽瑪射線衛(wèi)星和歐洲INTEGRAL衛(wèi)星都探測到了一個極弱的短時標伽瑪暴GRB170817A。全球有幾十臺天文設備對GW170817開展了后隨觀測，確定這次的引力波事件發(fā)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(fā)生24小時后），中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極昆侖站運行的第2臺望遠鏡AST3-2對GW170817開展了有效的觀測，此次觀測持續(xù)到8月28日，期間獲得了大量的重要數(shù)據(jù)，并探測到此次引力波事件的光學信號（圖1）。這些數(shù)據(jù)和全球其他天文臺的觀測結果一起揭示了此次雙中子星并合拋射出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(fā)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(fā)現(xiàn)，證實了雙中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。AST3-2是我國在昆侖站安裝的第二臺南極巡天望遠鏡（圖2）。其有效通光口徑50厘米，是南極現(xiàn)有最大的光學望遠鏡，并且完全實現(xiàn)了極端環(huán)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。（編輯：p_vhehwang）