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昨夜今晨最大八卦终于坐实——人类首次直接探测到了引力波

http://www.qctester.com/ 来源: 本站原创  浏览次数:480 发布时间:2017-10-17 QC检测仪器网

8月底以来,天文圈一直暗流汹涌,世界各地70多家天文台早早地准备联手发布重磅炸弹。上到Nature杂志的“官方谣言”,下到德克萨斯大学奥斯丁分校的J. Craig Wheeler、 华盛顿大学西雅图分校的Peter Yoachim两位教授的推文等等,搞得好多吃瓜群众们既心慌慌又心痒痒的:莫非是外星人真的要来了?

还好,八卦久了终会出现真相——北京时间2017年10月16日22:00(美国东部时间10月16日10时),LIGO-Virgo 科学合作组及全球各主要天文台同步发布重大天文学发现:首次直接探测到了由双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号——GW170817。

此次发现也标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其它望远镜同时观测到了同一个天体物理事件,开启了期待已久的多信使天文学的新窗口,引力波天文学也为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。

美东时间10月16日上午10点,北京时间10月16日晚上22点,LIGO实验室、LIGO科学合作组织和Virgo合作组织在美国华盛顿DC联合全球数十家天文台宣布,LIGO在8月17日上午协调世界时间(Coordinate Universal Time)12点41分04秒,即美东时间上午8点41分04秒,探测到双中子星并合所产生的引力波(GW170817)! 这是人类首次探测到双中子星并合事件!

1.7秒之后,美国宇航局费米空间望远镜探测到此双中子星并合所产生的伽玛暴(GRB170817A)! 这是人类首次探测到引力波的电磁对应体! 宣示双信使天文学时代的正式来临。

这一突破给全球范围的天文学家带来一场前所未有的盛宴,世界各地天文台在随后的观测中,探测到此双中子星并合所产生的从X射线到微波的电磁信号,找到金、铂等新合成贵重元素的信号,揭开困扰学界数十年的比铁重的元素宇宙起源之谜。

这一系列重大成果也宛若论文金矿,引发了全球顶级期刊对首发论文的激烈竞争。PRL当仁不让占据头条。Nature和Science为配合LIGO的新闻发布,改变了通常美东时间周三周四上线新文章的时间作息,推出系列相关研究论文,光Nature就一口气6篇!中国旗舰期刊《科学通报》英文版Science Bulletin 也同步上线中国天文学家重要成果。

发现经过

2017年8月17日,12:41:04 (协调世界时),在近地轨道默默飞驰着的费米-伽马射线太空望远镜向地面自动发送了一条简讯,内容是它刚刚探测到了一次来自宇宙深处伽马射线暴发。

大约6分钟后, 位于美国加利福尼亚州汉福德市的 LIGO 引力波探测器传来消息,在刚刚探测到的伽马暴发生前 1.7秒,探测到一次引力波暴发事件。

13:21:42,加入全球联网系统(Gamma-ray Burst Coordinates Network, GCN)的世界各地的望远镜控制中心同时收到一则通知,内容是发现一例高度疑似双中子星并合事件,并通报了初步判定的方位坐标。全世界的天文学家顿时都沸腾了,纷纷把自己的望远镜指向信号来源的方向.....

同一时间(北京时间8月17日晚上9点多钟),已经通过协议加入了LIGO多信使全球观测合作的慧眼团队,也收到了疑似观测到双中子星合并的通报,把在轨运行仅2个月,还处在紧张测试阶段的慧眼卫星,对准了信号来源的方向……

全世界的望远镜都在同一时间指向了同一个方向:那席卷1.3 亿光年的时空狂澜的源头。

第一次,人类不仅“听”到了引力波的“声音”,还“看”到了引力波的起源。

什么是引力波?

简单的来说,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在爱因斯坦的描述中,有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲,物体的质量越大,时空就扭曲得越厉害。

 

举个例子,把太阳和地球想象成宇宙桌布上的两个球。起伏,震颤,波浪……你可以用各种各样的词形容你在上图看到的“时空扰动”。这种变化以波的形式向外传播,用听起来很厉害的说法讲,就是“引力波”,换文艺点的说法讲,就是“时空的涟漪”。

 

质量巨大的系统,比如两个黑洞或两颗中子星快速相互绕转,它们产生的涟漪可就厉害了——像这种致密双星并合过程,所释放的能量,远超太阳一生释放的能量总和。而这么大的能量,通常会集中在最后一秒内爆发——那一刻,整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它,就问你怕不怕!

中子星引力波特殊在哪里?

这已经是 LIGO 探测到的第 6 个引力波信号了。前 5 次的引力波都是来自两个黑洞合并,并且黑洞的总质量都超过20个太阳质量。相互绕转的黑洞在时空中激起震荡,就像蹦床中央两个跳舞的大胖子在蹦床上激起的震颤一样。而这一次引起引力波的物体总质量只有 2.8 个太阳质量,这对于黑洞而言太小了,倒很像是中子星。除了质量的不同之外,其他 5 次黑洞合并没有被用任何电磁波望远镜观测到,而这一次却被从射电到伽马射线、工作在不同电磁波能段上的不同望远镜探测到。这些迹象都表明,这一次的引力波应该来自两个中子星的碰撞。

中子星是何方神圣?为什么它碰撞发出的引力波比黑洞的引力波更让科学家们兴奋?

 

至今为止观测到的6次引力波事件。图中不同色彩的圆圈代表了各次引力波事件信号可能来自天空的方向范围。几次引力波事件发生后,利用引力波观测所能给出的事件在天空中可能的位置分布的对比。可以看到在今年欧洲的Virgo加入之后,3站联合给出的定位精度有了很大提高。图片来源:LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer/Axel Mellinger

 

 

本次引力波事件的方位。图中左侧显示的是费米、LIGO和VIRGO共同确定的引力波信号来自的天空(天球)方向范围。在这个范围里,发现一个星系中发生了巨新星爆发的现象。右侧是光学望远镜拍摄到的爆发前与爆发后的星系照片。可以看到爆发后(上图)多了一颗星体。图片来源:LIGO scientific collaboration, Virgo collaboration and partner astronomy groups.

 

如何一句话表达“朕已阅”?

引力波和传统天文学终于成功的并肩作战。从今以后,“引力波”领域,终于毫无疑问的成为天文科学的一员。

天文学家们认定,这是一次双中子星的碰撞事件。引力波GW170817的观测,让我们测量了两个中子星的质量。伽马射线暴GRB170817A,让我们认识到中子星碰撞后有物质被高速抛出;后续的紫外、可见和红外光学观测和不同谱段光强的分析,让我们初步确定发光来自于重元素的衰变,确立了SSS17a是一个千新星。X光和射电 (微波波段的无线电) 观测,让我们更好地了解了爆炸的能量,抛出物质的状况,以及爆炸周围的环境。

这样,天文学家们就初步确认了“短伽马射线暴”的物理起源,初步确认了中子星的存在并且了解了它的成分,而且对宇宙中重元素的起源,有了新的实验证据。通过对引力波强度的测量,我们独立测量了NGC4993这个星系和地球距离,对宇宙膨胀的速率,以及宇宙的年龄又多了一个独立的测量方法。通过对引力波和电磁波到达时间,我们对引力波的速度也有了新的测量。

2015年,人类首次捕捉到黑洞发出的引力波 。我们不但证实了引力波这种时空的涟漪可以在宇宙空间中产生、传播,并且和地球上的仪器发生作用,也开始近距离地观测黑洞周围高度扭曲变形的时空。前几次对黑洞的观测,让物理学家异常兴奋,而这次对双中子星碰撞的探测,真可以说是各个波段的天文学家们集体的盛宴。

 

 

中国科学家慧眼识波

引力波的盛会中国科学家可不会缺席。中科院高能物理研究所的“慧眼”X射线望远镜(HXMT),参与了X射线波段的后续观测。

紫金山天文台的南极巡天望远镜,参与了光学波段的后续观测。

清华大学等单位的研究人员,通过和LIGO组织合作,参与了引力波信号分析。

目前,空间引力波探测已被列入中国科学院制订的空间2050年规划中。而我国主要的三个大型引力波探测项目:太极计划、天琴计划和阿里实验计划,则均与LIGO一样,都是利用激光干涉的方式,对引力波进行探测和研究。

 

 

外星人怎么看?

引力波和物质之间的相互作用极度微弱,因此它的衰减也是极度缓慢的。可是,我们并不知道宇宙产生一个文明需要多久。刘慈欣在《三体》中用黑暗森林理论来解释费米悖论——为什么我们看不到外星人,但是现实中,有两个更加简单的可能解释:第一,智慧文明的诞生也许极端困难、极端罕见;第二,我们有可能是宇宙间第一批(甚至第一个)文明。

在这个意义上,我们也许将是最初和最后的人。宇宙并不在乎其间发生了什么,它自会按照自己的规律运行;而我们诞生在了一个幸运的时刻,或许能在不久的将来目睹终极理论的诞生,甚至可能将是唯一亲自见证这一瞬间的文明。宇宙最不可理解的事情在于它竟然是可以理解的,而倘若我们真的理解了它,那将何其有幸!朝闻道,夕死可矣;我们都将死去,但哪怕我们所创造的一切都将化为灰烬,我们依然能知道宇宙初生的那个黎明,和宇宙最终灭亡的那个夜晚。我们将凭知识超越时空——而现在,我们又在这条道路上迈出小小的一步。

Reference:

1. 果壳网《引力波是什么?为何直接探测到它值一座诺奖?一篇文带你看懂》

2. 镁客网《重磅!人类首次探测到由中子星相撞产生的引力波,破解“黄金白银”的起源问题》

3. 易疏序《刚刚见分晓!天文学家们憋到快炸的大新闻,到底说了啥?》

4. 知社学术圈《量子力学与相对论翩翩起舞, 科学家在宇宙金矿挖论文金矿 | 引力波重磅》

5. 知乎网友@刘博洋

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