引力波大新闻:面对宇宙我们变得“耳聪目明”

2017年10月17日 02:24 新浪科技

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  引力波的源头,终于出现在视线中,一图让你读懂它

  新浪科技讯 北京时间10月17日消息,美国国家科学基金会邀请引力波研究科学家在10月16日晚间召开发布会,通报了引力波研究领域的重要进展。科学家们宣布他们首次检测到了一种新型的引力波,来自中子星合并事件,并且与前几次引力波事件都不同的是,此次科学家们还检测到了产生此次引力波信号的对应天体。如果将引力波比作声音,而将光学波段的观测比作视觉,那么此前四次的引力波信号都是“只闻其声,不见其人”,而这一次,我们找到了引力波信号对应的天体,可谓“闻其声,且见其人”——面对广袤宇宙,我们变得“耳聪目明”了!

  那么,如果你错过了这场发布会,以下就是关于这次发布会最核心内容的通俗解读。

  新进展一:首次观测到新型引力波

  简单一句话,就是这一次我们探测到了一种跟之前几次完全不同类型的引力波信号。

迄今为止,全部探测到的五次引力波事件。前面四个都来自黑洞的合并,最下面那个是今天宣布的,首个来自中子星合并的引力波信号。可以看到,这一信号的持续时间明显要比之前来自黑洞合并的引力波信号长得多迄今为止,全部探测到的五次引力波事件。前面四个都来自黑洞的合并,最下面那个是今天宣布的,首个来自中子星合并的引力波信号。可以看到,这一信号的持续时间明显要比之前来自黑洞合并的引力波信号长得多
中子星合并并产生引力波示意图。大约13亿年前,两个间隔大约300公里,相互绕转的中子星逐渐靠近,越转越快,造成周围时空的扰动,产生引力波信号,并最终合并为一体中子星合并并产生引力波示意图。大约13亿年前,两个间隔大约300公里,相互绕转的中子星逐渐靠近,越转越快,造成周围时空的扰动,产生引力波信号,并最终合并为一体

  引力波的历史可以追溯到100年前的1916年,那一年,爱因斯坦在他发表的广义相对论中首次预言了引力波这种现象的存在。引力波是大质量天体运动在时空中造成的涟漪,但是这种效应极其微弱。事实上,爱因斯坦本人对于人类能否最终探测到引力波也是没有多少信心的,因为引力波造成的效应实在太过微弱,打个比方,从距离我们4光年外的比邻星拉根线到地球上,当引力波信号通过造成时空扭曲时,这根线的长度会发生变化。通过对这根线长度变化的观测,我们就能判断有引力波通过。但是,当引力波通过时,这根4光年长的线的长度变化大约只相当于人的头发丝直径那么大!

  然而,就是这么难以置信的测量精度,科学家们做到了。在2015年9月14日格林尼治时间09:50:45(北京时间17:50:45),位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿的LIGO探测设施均接收到一个引力波信号,并根据其信号发现时间,将其编号为“GW150914“。分析结果显示,信号GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞合并过程中而产生的,合并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量,可见有将近3倍太阳质量的物质被转化成了引力波,而这一事件的发生地远在13亿光年之外。这是一次里程碑式的事件:人类首次直接探测到了100年前爱因斯坦所预言的引力波信号。

  而自那以后,科学家们又陆陆续续探测到了3次新的引力波信号,编号分别是GW151226,GW170104以及GW170814,另外,还有一次疑似的引力波信号LVT151012。从编号上,可以很清楚的看到信号被接收到的日期。其中最新的一次,也就是GW170814是欧洲自己的引力波探测设施Virgo首次探测到引力波信号。

  以上,所有这4次得到确认的引力波信号都有一个共同点,那就是它们无一例外都是来自两个黑洞的合并。但是宇宙中能够产生强烈引力波信号的来源有很多,除了黑洞合并之外,理论上中子星合并产生的引力波信号同样有可能被LIGO等设备探测到。于是人们就非常期待这一天的到来,LIGO的科学家们也多次公开表示,他们希望能够检测到来自中子星合并的引力波信号。

  尽管有预期,但大家都没想到这一天会来的如此之快。就在今年的8月17日美国东部时间8:41(北京时间当天20:41),LIGO探测器检测到第五次引力波信号GW170817,而且这次这次和前四次都不一样,这个信号的特点显示其来自两颗中子星的合并。说具体一些,参与其中的两颗中子星质量分别为1.1倍以及1.6倍太阳质量,距离地球大约1.3亿光年。LIGO研究组实现了他们的又一次重要进展:新型引力波的发现。

  新进展二:首次观测到引力波光学对应体

  简单一句话,就是这一次我们不但探测到了引力波,而且还找到了产生这个引力波信号的源头。

科学家们拍摄的引力波信号GW170817光学对应体。可以看到在两颗中子星合并之后4天时拍摄的画面中,光学辐射波段还很明亮,可以看到一个小亮点,但随着时间推移,逐渐消失了科学家们拍摄的引力波信号GW170817光学对应体。可以看到在两颗中子星合并之后4天时拍摄的画面中,光学辐射波段还很明亮,可以看到一个小亮点,但随着时间推移,逐渐消失了
在LIGO引力波探测器检测到引力波信号通过的几乎同时,正在地球轨道上运行的美国宇航局“费米”伽马射线望远镜和INTEGRAL等探测器监测到一个剧烈的伽马射线爆发事件。这一意外惊喜极大的帮助科学家们缩小了引力波来源天体的方位区域在LIGO引力波探测器检测到引力波信号通过的几乎同时,正在地球轨道上运行的美国宇航局“费米”伽马射线望远镜和INTEGRAL等探测器监测到一个剧烈的伽马射线爆发事件。这一意外惊喜极大的帮助科学家们缩小了引力波来源天体的方位区域

  2017年8月17日美国东部时间8:41(北京时间当天20:41),两台设在美国的LIGO探测器,以及设在意大利境内的Virgo探测器都接收到了一次新的引力波信号。

  尽管LIGO探测器最先检测到此次引力波信号,但却无法在天空中准确定位出其方位。然而,借助欧洲Virgo引力波探测设施的帮助,科学家们得以将此次引力波出现的区域框定到一个比较小的范围内。在经过一系列数据矫正之后,科学家们确认这一信号应该是来自南半球的一片小范围天区。这一结果就为此后精确找到产生引力波的来源天体奠定了坚实的基础,而这是此前几次引力波事件中都不曾具备的条件。

  另外,在LIGO引力波探测器检测到引力波信号通过的几乎同时,正在地球轨道上运行的美国宇航局“费米”伽马射线望远镜监测到一个剧烈的伽马射线爆发事件。这一意外惊喜极大的帮助科学家们缩小了引力波来源天体的方位区域。随后, 引力波研究组的科学家们向全球各地的同行们发出了申请支援的请求并很快得到积极响应。

  几小时内,几台大型地面望远镜开始指向科学家们框定的南半球那片区域开始寻找可能的引力波源头并很快得到结果。光学望远镜报告它们在预定天区找到一颗“新出现的星”,那里正是两颗中子星合并的现场,也就是产生了这次引力波信号的源头。最终,全球有超过70个天文台以及超过100台观测设备从各个波段投入了这项全球观测大协作。这是引力波研究领域的又一座崭新里程碑,如果将引力波比作声音,而将光学波段的观测比作视觉,那么此前四次的引力波信号都是“只闻其声,不见其人”,而这一次,我们找到了引力波信号对应的天体,可谓“闻其声,且见其人”——面对黑暗广袤宇宙,我们变得“耳聪目明”了!

  新进展三: 首次证实中子星合并事件可以产生大量重元素

  简单一句话,就是这一次我们发现中子星合并过程会产生大量的重元素,这解决了长期以来的一个谜团。

从地面到太空,从赤道到南极,全球有超过70个天文台以及超过100台观测设备从各个波段投入了这项全球观测大协作从地面到太空,从赤道到南极,全球有超过70个天文台以及超过100台观测设备从各个波段投入了这项全球观测大协作
观测数据显示,在这两颗中子星的合并现场可以观察到明显的迹象,显示那里合成了大量重元素,包括金,铂和铀等。这回答了一个长期悬而未决的问题:宇宙中的重元素从何而来?观测数据显示,在这两颗中子星的合并现场可以观察到明显的迹象,显示那里合成了大量重元素,包括金,铂和铀等。这回答了一个长期悬而未决的问题:宇宙中的重元素从何而来?

  这个可以说是一个副产品了。科学家们在对这个光学对应体进行观测时候,发现这两个中子星合并的过程中产生了大量的重元素,比如金,珀,以及铀之类。这是对之前理论的一次证实。

  中子星是体积非常小,但密度极高,质量很大的奇异天体,它们是大质量恒星爆炸后的产物。中子星是最接近黑洞但没有变成黑洞的天体,它们的密度极大,仅次于黑洞。一汤匙的中子星物质几乎相当于全世界70亿人的体重加在一起的总和。而此次引力波事件所探测到的,正是一次发生在大约1.3亿年前的两颗中子星之间的相互合并事件所产生的引力波信号。

  这次引力波信号的一大不同之处就在于这一次科学家们成功锁定了它的来源在天空中的位置,并引导大批观测设备从光学,红外,射电,伽马射线,X射线等不同波段进行了全方位观测。很快,美国南双子望远镜,以及欧洲南方天文台的甚大望远镜以及哈勃空间望远镜等的观测数据显示,在这两颗中子星的合并现场可以观察到明显的迹象,显示那里合成了大量重元素,包括金,铂和铀等。

  这是一项重要进展。科学家们知道在宇宙大爆炸时产生了大量轻元素,主要是氢和氦,除此之外在元素周期表上一直到铁的所有这些元素,基本都是在恒星内部的核聚变过程中产生的,但比这质量更大的元素究竟如何产生,一直未能得到很好的理解。超新星爆发过程等机制可以解释一部分重元素的产生,但是光靠这些机制很显然难以解释宇宙中重元素的实际丰度。而此次中子星合并产生重元素的机制首次得到观测证实,从而解决了一个长期以来困扰物理学界的问题。

  哈佛大学史密森天体物理学中心的厄尔多·贝格(Edo Berger)表示:“此前元素周期表中那些质量最大的元素的起源一直不甚明了,直到今天——我们了解到,它们可以在中子星的合并过程中被产生出来。”他说:“每次这样的合并事件都能产生质量超过一个地球的贵金属,比如珀金和黄金,还有很多非常稀少的稀土元素。”事实上,科学家们的计算显示,今年8月17号观测到的这次中子星合并事件,产生了相当于10倍地球质量的黄金和铂金。这些重元素在这里被制造出来,并随后被撒播到宇宙各处,或许其中一部分会有一天落到地球上,最终成为了我们婚礼上的爱情信物。(晨风)

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