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引力波的源頭終于出現(xiàn)在視線中 用圖讓你讀懂它 1、迄今最強(qiáng)的引力波信號(hào) “這是我們迄今觀測(cè)到強(qiáng)度最強(qiáng)的引力波信號(hào)，比第一次觀測(cè)到的雙黑洞引力波信號(hào)要強(qiáng)得多�！盠IGO科學(xué)合作組織爆發(fā)源分析組聯(lián)席主席、英國(guó)格拉斯哥大學(xué)教授、北京師范大學(xué)特聘外國(guó)專家Ik Siong Heng表示，它與之前的雙黑洞繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波信號(hào)非常類似，但持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)�！疤綔y(cè)器中GW170817信號(hào)持續(xù)時(shí)間超過(guò)1分鐘，之前的雙黑洞并合引力波信號(hào)只有1秒左右�！�  雙中子星并合過(guò)程中的物質(zhì)拋射和噴流形成數(shù)值模擬 8月17日，LIGO與Virgo的三臺(tái)探測(cè)器先后接收到引力波信號(hào)GW170817。在探測(cè)到引力波信號(hào)GW170817后的1.7秒，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的費(fèi)米衛(wèi)星探測(cè)到了一個(gè)伽馬射線暴GRB170817A。在之后不到11個(gè)小時(shí)之內(nèi)，位于智利的Swope望遠(yuǎn)鏡報(bào)告在星系NGC4993中觀測(cè)到明亮的光學(xué)源。在接下來(lái)的幾個(gè)星期里，無(wú)數(shù)望遠(yuǎn)鏡將目光對(duì)準(zhǔn)這片天區(qū)，記錄下這一事件發(fā)生之前100秒至之后幾個(gè)星期的信號(hào)。 “最初GW170817信號(hào)到達(dá)時(shí)，LIGO位于美國(guó)路易斯安那州利文斯通的探測(cè)器數(shù)據(jù)中存在雜散噪聲。根據(jù)這些噪聲的特征，我們將它從分析中扣除了�！盜k Siong Heng說(shuō)，此后研究人員確認(rèn)在此期間沒(méi)有人為的模擬信號(hào)注入，那些信號(hào)確實(shí)來(lái)自遙遠(yuǎn)的天體。 根據(jù)這些記錄，科學(xué)家復(fù)原出故事發(fā)生的過(guò)程：在距離地球1.3億光年的長(zhǎng)蛇座星系NGC4993中，兩顆中子星互相繞轉(zhuǎn)。在并合前約100秒時(shí)，它們相距400公里，每秒鐘互相繞轉(zhuǎn)12圈，并向外輻射引力波。它們?cè)睫D(zhuǎn)越近，直至最終碰撞在一起，形成新的天體，并發(fā)出電磁輻射。 雙中子星并合后發(fā)出短伽瑪暴和巨新星輻射的示意圖 中子星是恒星演化末期形成的一類致密天體。雖然它的半徑只有十幾公里，質(zhì)量卻與太陽(yáng)相當(dāng)。中子星到底有多硬？其內(nèi)部物質(zhì)以何種狀態(tài)存在？這些一直是科學(xué)家感興趣的問(wèn)題。 根據(jù)觀測(cè)到的引力波信號(hào)，科學(xué)家估算出兩顆中子星的質(zhì)量、半徑，并對(duì)其密度給出了保守的限制，幫助排除了那些對(duì)于中子星密度估計(jì)過(guò)低的理論模型�！耙Σㄐ盘�(hào)GW170817的演變，尤其是接近并合階段的信號(hào)演變，受到中子星自身性質(zhì)的影響。如果中子星更致密一點(diǎn)，或者更稀松一點(diǎn)，引力波的信號(hào)都會(huì)不同。”Ik Siong Heng說(shuō)。 2、期待中的電磁對(duì)應(yīng)體 “這個(gè)結(jié)果來(lái)得太快，本以為要在2020年左右才能觀測(cè)到第一例雙中子星并合�！敝锌圃鹤辖鹕教煳呐_(tái)研究員吳雪峰在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)難掩興奮。 與雙黑洞并合不同，雙中子星并合過(guò)程不僅向外輻射出引力波，還會(huì)在多個(gè)波段發(fā)出電磁輻射，從而被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。那些在發(fā)出引力波同時(shí)，又被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的天體被稱為引力波的電磁對(duì)應(yīng)體。 天文學(xué)家為何對(duì)引力波的電磁對(duì)應(yīng)體如此感興趣？“引力波都是一次性的，無(wú)法重復(fù)觀測(cè)。其電磁對(duì)應(yīng)體則不是這樣。”北京師范大學(xué)天文學(xué)系副教授高鶴解釋說(shuō)，“此外引力波信號(hào)自身存在一定缺陷，比如信號(hào)十分微弱，信號(hào)源的定位誤差非常大，僅僅利用引力波探測(cè)無(wú)法確認(rèn)信號(hào)來(lái)自哪里�！� 高鶴說(shuō)，電磁波段是目前發(fā)展最完善、理論研究最透徹的觀測(cè)窗口，也是現(xiàn)有探測(cè)手段與探測(cè)儀器最豐富的窗口。“只有實(shí)現(xiàn)了引力波與電磁波的聯(lián)合探測(cè)，才可以證認(rèn)引力波源的天體物理起源，并對(duì)其天體物理性質(zhì)開(kāi)展進(jìn)一步的研究�！�  激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO） LIGO與Virgo的探測(cè)目標(biāo)是恒星級(jí)致密天體，也即黑洞、中子星之間并合發(fā)出的引力波。在這一探測(cè)范圍內(nèi)，雙中子星并合、中子星與黑洞并合被認(rèn)為是可能的引力波電磁對(duì)應(yīng)體候選者。在LIGO發(fā)展的早期，雙中子星并合曾被認(rèn)為是引力波觀測(cè)的首要目標(biāo)。 在8月17日探測(cè)到的并合中，科學(xué)家尚不清楚，最終是形成了更大質(zhì)量的中子星，還是黑洞。但已知的是，新天體的質(zhì)量約為2.74倍太陽(yáng)質(zhì)量，而在這個(gè)過(guò)程中損失的質(zhì)量，主要轉(zhuǎn)化成引力波和電磁波，輻射向宇宙各個(gè)方向。 3、找到金銀等元素誕生地 科學(xué)家對(duì)這次觀測(cè)興奮不已，還因?yàn)橛^測(cè)將雙中子星并合與短伽馬射線暴直接聯(lián)系在一起，并首次觀測(cè)到巨新星現(xiàn)象，讓科學(xué)家能夠深入了解雙中子星并合的物理過(guò)程。 所謂伽馬射線暴，是天空中某一個(gè)方向伽馬射線輻射突然增亮的現(xiàn)象。根據(jù)伽馬射線暴時(shí)間長(zhǎng)于或短于2秒，可分為長(zhǎng)暴與短暴�？茖W(xué)家認(rèn)為，長(zhǎng)伽馬射線暴與大質(zhì)量恒星塌縮形成黑洞的過(guò)程相關(guān)，短伽馬射線暴則源自雙中子星并合或中子星與黑洞并合。前者已被大量觀測(cè)所證實(shí)，后者卻一直沒(méi)有找到直接觀測(cè)證據(jù)。 巨新星則是1998年北京大學(xué)教授李立新（當(dāng)時(shí)為普林斯頓大學(xué)博士生）與普林斯頓大學(xué)已故教授Bodhan Paczynski合作提出的構(gòu)想�！半p中子星并合時(shí)向外拋射的物質(zhì)會(huì)通過(guò)快中子過(guò)程形成金、銀等重元素，并形成光學(xué)和近紅外輻射�！� 李立新說(shuō)，這些輻射現(xiàn)象比超新星的亮度暗100倍，比普通新星亮1000倍，被稱為巨新星或千新星。 在此次觀測(cè)中，科學(xué)家捕獲了引力波信號(hào)、短伽馬射線暴信號(hào)以及光學(xué)信號(hào)。后續(xù)分析證明這些信號(hào)互相關(guān)聯(lián)，均來(lái)自中子星并合。我國(guó)在南極大陸安裝的南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3也捕獲了并合的光學(xué)信號(hào)。 “有多名學(xué)者對(duì)巨新星理論進(jìn)行過(guò)完善，這次的觀測(cè)結(jié)果非常吻合完善后的理論構(gòu)想�！崩盍⑿抡f(shuō)。 |
