03.04 如何看待LIGO在2017年10月16日宣布的引力波最新探测结果?

我忘思恋


晚上10点,准确的结果才能知晓,不过据信,应该是通报LIGO观测到两个中子星的合并。

如果LIGO的最新成果是观测到双中子星合并的话,其科学意义将是巨大的。

用伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校(University of Illinois at Urbana)的天体物理学家Stuart Shapiro说的话可以理解LIGO最新成果的意义:如果双子星合并事件被最终确认,这样的探测则标志着天文学的一个新时代即将到来:在这个时代,传统的望远镜都可以看到现象,也可以“听到”在时空结构上的振动。在我们的理解中,这将是一个不可思议的进步。

中子星是宇宙中除黑洞以外,最为奇特的天体,它的性质跟黑洞很像,因此中子星俗称“黑洞的儿子”。中子星是恒星演化到末期,经由引力坍塌发生超新星爆炸之后,其组成物质中的电子并入质子成为中子,最终成为直径只有约十公里,质量却有太阳数倍的致密星体。中子星密度极高,每立方厘米的质量高达数十亿吨。

中子星合并与黑洞合并主要有如下区别:

一、与黑洞相比,由于中子星的质量较小但体积较大,它们发射的引力波信号幅度较小,也就是说,因为双中子星合并所产生的信号强度相对较弱,我们必须要找到比双黑洞距离地球更近的双中子星,才能一窥其真容。要想获得同双黑洞合并相同幅度的信号,合并的双中子星与地球的距离要比双黑洞的距离小近10倍。

二、两个致密中子星的合并应该会有光学(电磁波)对应体产生,这也与两黑洞合并完全不同。人类对于电磁波的探测技术非常成熟,因此本次引力波事件,全球多家天文机构同时观测到了对应的千新星事件与伽马暴事件。电磁波对应体的精确定位,能够让科学家们了解双子星对并合与周围电磁场、星系介质等有更多的认识。值得一提的是中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2对GW 170817开展了有效的观测,期间获得了大量的重要数据,并探测到此次引力波事件的光学信号。

今年是中子星发现50周年,本次引力波探测事件的发布可说是锦上添花。从科学层面考量,这一事件的探测暗示着双中子星并合事件的发生几率比此前预计得可能更为乐观。可以预见,对中子星并合事件的引力波探测和其它研究工作还将继续,并在未来获得更多令人可喜的科学成果。


魏红祥博士


2017年8月17日,12点41分20秒(UTC),也就是北京时间20点41分20秒,NASA的费米伽玛射线空间望远镜探测到了后来被取名叫做GRB170817A的伽玛射线暴。

首先 ,这个伽玛射线空间望远镜其实 中国也有一个,叫做慧眼。是中国科学院高能物理研究所的张双南研究员主要负责的项目。慧眼也探测到这次伽玛射线爆。

其次,本次伽马射线爆的时间是比较短的,大概持续了1.7秒。这短短的时间,却产生了连锁反应。为什么?因为在这个时间段里,地球上的引力波探测器LIGO也同时测量到了来自天空的引力波辐射信号。因此,这说明什么?

这说明两者是同时发生的。

而且,根据伽玛射线的时间特征,那么短那么剧烈——可以推断出这是来自中子星的相互碰撞。

而LIGO的引力波探测结果也证实了这次引力波辐射的振幅比较小,符合中子星相互绕转的特征。

所以,这次人类第一次探测到引力波的电磁对应体。引力波的电磁对应体可以提供关于引力波事件更丰富的信息,在未来有了更多这样的探测,我们 可以结合引力波和电磁波观测更深入地理解许多天体物理过程,这相当于是既能用耳朵听又能用眼睛看我们这个宇宙了。所以,这 次科学发现的意义还是十分重大的,因为这无疑说明,引力波是真的存在的,那些曾经质疑引力波真实存在的物理学家现在基本已经无话可说了。

不过,我希望有更多类似的事例能被公布出来。

现在看来,2017年10月3日给引力波发诺贝尔奖金的时候,估计评奖委员会已经知道了今天要发生的这个新闻发布会。


轩中科技评论


刚刚获得诺贝尔奖的引力波团队又任性了。包括紫金山天文台和美国宇航局在内,全球竟有数十家天文研究机构联合宣布,将在16号的晚上10点宣布一个重大消息,内容暂时保密。紫金山天文台的公告里面,特别指出“我国天文学家将与LIGO/Virgo科学合作组,及全球各主要天文台同步发布重大天文发现”。LIGO就是2016年初宣布探测到第一个引力波信号的团队,领衔的三位科学家和工程师又在10月4日刚刚获得了诺贝尔物理学奖。既然连LIGO的名字都出现了,而且全世界天文机构都知道了,那它显然也就不再是秘密了。

果然有心的天文学家们略加分析,就把这个秘密掀了个底儿掉。比如中国科学院国家天文台博士生刘博洋(好年轻!)在他的微信号“天文八卦学”里在没有引用任何官方资料的情况下就把这事儿里里外外分析了一个遍(到底是内行看门道啊),赢得了许多媒体纷纷转载。刘博洋分析,全世界主要天文台都参与进来了,那么就说明,传统天文台都“看”到了引力波源。天文学界有个好处,很多信息是公开的,尤其是使用大型观测设备需要提前申请。查阅最近世界主要天文台观测动向就发现,大家都去观测了1.3亿光年远处一个叫NGC 4993的星系,并且有人在推特上爆料说,“引力波源,带光学对应体”“初步判断是双中子星合并”。

那么说人话,这是个什么事儿呢?如果说LIGO和Virgo都是专门“听”引力波的装置,而此前发布的4次引力波事件都是黑洞合并造成的,发射引力波,但不发光。(记得吗?轮椅上的霍金老爷爷一直告诉我们,黑洞是黑的,它不发光!)那么这次是两个中子星(一种致密天体,一勺物质重达10亿吨)合并,他们会发光!一发光,大家就都看到了,所以才是几十家天文台联合发布。

你可能说,嗨,这算什么事儿啊,我还当天文学家发现外星人了呢。这新闻不就是炒作嘛,科学家怎么也成了忽悠了?其实仔细想想,我们不能这么说,娱乐新闻能炒作,科学新闻为什么不能炒作?其实新闻就是新闻,传播得更广,能够被更多人看到,那么这条新闻就是成功了。如果阅读量屈指可数,无论你说的是什么,那注定要淹没在信息海洋里。这几年朋友圈里总会出现“科学忠骨无人问,戏子家事天下知”这样的文章,指责媒体和公众关注娱乐明星谁谁谁跟谁谁谁好上了,分手了,却不关注为科学进步作出巨大贡献的科学家们。最近一次对比是鹿晗(不需要我介绍他是谁了)和贵州那个直径500米世界第一的FAST望远镜之父、中国国家天文台研究员南仁东先生(你看我得写多少前缀,你还未必知道)。南仁东先生在为中国科学界这个“世界第一”默默奋斗20多年之后,没有看到FAST第一批成果公布就去世了,而做出如此重大贡献的他今年才刚入选院士候选人,还是年龄最大的一位。在此之前,媒体上几乎找不到他的名字。

出现这样对比,我觉得不能去指责娱乐明星善于炒作,而应该反思科学家为什么不会炒作。在科学界,美国宇航局是出了名的“善于炒作”,最近几年我们就看到好几次生动的案例,比如发现“地球2.0”,“新视野号”拜访冥王星,“卡西尼号”完成探测土星使命等,当然也包括首次探测到引力波的新闻。美国宇航局和天文学家(比如探测引力波的吉普·索恩)甚至会参与到好莱坞科幻大片的制作之中去。每一次“炒作”都带来很好的新闻传播效应,美国宇航局、哈勃太空望远镜,甚至在世界范围内都是科学的象征。这些案例说明公众并非不关注科学新闻,而是科学机构能否按照科学传播规律去包装和发布新闻,争取媒体头条,吸引大众眼球。

当然了,科学的每一步进展,其实都算得上“大新闻”,因为科学进步正是这样每次前进一小步,最终悄悄地改变了我们对世界的看法。每次这样“一小步”的进展,也需要非凡的智慧和勇气。从科学史上回归牛顿、爱因斯坦的贡献,我们也同样可以看到他们是如何一小步一小步前进,最终震惊世人,改变历史的。我们可以生吞活剥登月第一人阿姆斯特朗说过的那句话,“大新闻”虽然是科学的一小步,对历史来说却是一大步。,

我们需要全社会各个方面,甚至主动地去了解肯定新闻,帮助传播“炒作”。让社会公众学会欣赏科学家们每一次的“重大消息”,欣赏这背后的艰苦努力和智慧火花。这样才能够让公众更多地支持科学家的工作,提供全民科学素质,增强创新能力。习大大说科学研究和科学普及是科学的两翼,“炒作”科学新闻,增强科学影响力,吸引更多人来了解科学家的工作,就是很好的科普普及形式啊。

公众更多地理解了科学新闻,也就对科学事业拥有了更多的知情权,不会被伪科学谣言忽悠。公众更多地了解科学,才会有更多的年轻学子选择投身科学事业!科学事业有多么重要!看看牛顿、爱因斯坦、霍金的地位我们就知道了。咱们国家长期以来对科学宣传不够重视,或者说科学家们不善于炒作科学新闻,以至于公众把科学家看作白胡子老爷爷,科学是高冷又不赚钱的事业。比如今年的浙江省高,很多学生放弃物理,许多科学家惊呼,在今天这样一个,依靠科学创新参与国际竞争的时代,长此以往必将削弱我国的竞争力。

当然大众理解起科学新闻来,要比理解娱乐新闻困难得多。正因为如此,美国宇航局这样的科学机构已经琢磨一套方法,在正式公布之前,会把相关信息(通稿)提前透露给媒体,约定限时保密。也就是媒体记者可以开展采写工作,但不能公开,要等到在科学机构正式公布之时再发布新闻解读稿件。这样能够兼顾科学新闻的及时性和专业性。这次“引力波大新闻”亮点之一是中国的紫金山天文台南极天文中心能够跟美国宇航局联合发布,因为我国设在南极点冰穹A(也是我国第三个南极科学考察站)的“南极巡天望远镜”在这次科学观测中发挥了重要作用,这个望远镜是中国自主研发的首台全自动无人值守望远镜,由中国南极天文中心、中国科学技术大学、南京天文与光学技术研究所、南京大学天文与空间科学学院联合开发和维护。

即将发布的这个大新闻,也和中国即将开展的引力波探测计划密切相关。中国天文学家们正在紧张地开展工作,计划在太空实现“空间太极计划”“天琴计划”,在西藏实现“阿里实验计划”,聆听其他来源的引力波。也许未来的“科学大新闻”就是由中国科学家主导发布了。

欢迎这样的“重大消息”越多越好!


松鼠老孙


北京时间16日晚10点,美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)在官网宣布,LIGO和Virgo探测器及其他合作伙伴探测到由双中子星合并产生的新型引力波。这是人类首次探测到双中子星合并产生的引力波。

这个是个大新闻呀!我来给各位不明觉厉的同学们总结一下,这个发现的厉害之处有哪些:

本次的引力波源:长蛇座NGC 4993星系

1, 人类第一次观测到双中子星引力波

2015年9月14日LIGO曾首次探测到双黑洞合并的引力波信号,之后LIGO又相继探测到好几个引力波信号,但均为黑洞信号。并且黑洞合并发生得极快,通常不到一秒钟。而中子星合并引发的引力波信号可能会长达一分钟。本次LIGO探测到的引力波信号甚至持续了一百秒左右,并且扫过了LIGO的整个灵敏频段。更长的时间就意味着天文学家可以对广义相对论做更为精确的实验检验,同时为中子星和引力波的特性提供更多信息。

引力波测量数据

2, 人类第一次看到引力波伴随的电磁波信号

由于黑洞几乎没有电磁辐射,所以并不能看到黑洞合并时相应的电磁信号,只有引力波。但是中子星合并的时候伴随有猛烈的伽马射线暴,伽马暴是宇宙中最为激烈的电磁辐射。本次LIGO探测到的引力波信号持续了一百秒左右,在引力波信号结束大于两秒后。美国费米微信的伽马暴探测器,欧洲INTERGRAL望远镜的SPI-ACS探测器,中国的X射线天文卫星--慧眼HXMT望远镜均在引力波源所在的天区观测到了一个微弱的短伽马暴。如果说之前人们对引力波的探测结果还抱有一丝谨慎的话,那这次伴随伽马暴电磁辐射的结果无疑再一次极大地加深了人们的信心。为广义相对论的预言提供了非常强的观测检验。

慧眼的伽马暴测量数据

3, 全球联动,电磁波与引力波的联合测量。

引力波的早期测量一直被人们诟病的一点是对实验结果进行独立验证非常困难。为了应对这一点,LIGO在全世界不同地方建了好几个独立的引力波观测点。但这一次引力波具有伴随着常规射电天文望远镜就有可能观测到的电磁辐射。使得这次全球多个观测点同时报告了这一事件。其中更是不乏中国科学家与中国观测点的身影。例如我国的慧眼HXMT望远镜,中国南极巡天望远镜AST3-2等等。


低熵制造机


面对宇宙,人类已经是耳聪目明,不再是非聋即瞎!


400多年前伽利略发明的天文望远镜就是人类面对宇宙的“近视镜”

,利用各种各样的强大的望远镜,远在天边就成了近在眼前,人类就得以能够欣赏遥远宇宙的各种美丽的天体。但是在探测到引力波之前,人类听不到宇宙的声音,面对宇宙,人类只能是聋子。


引力波是时空的涟漪,如果我们距离引力波源足够近,时空的涟漪就会让我们的耳膜振动起来,我们就能够听到宇宙用引力波发出的美妙声音。但是,由于我们距离引力波源太远了,我们需要借助强大的引力波探测器才能听到宇宙的声音,因此引力波探测器就是人类的“助听器”,自从2016年2月11号美国的激光干涉引力波天文台宣布听到了两个黑洞结合在一起发出的欢快声音,人类从此就不再是聋子了!


然而,尽管已经“听”到了四次黑洞结合发出的欢快声音,天文学家却还没有“看”到黑洞结合的美丽图像。面对发出引力波的天体,人类仍然是瞎子。难道人类只能是非聋即瞎吗?


并不是!因为这一次,不仅仅激光干涉引力波天文台听到了两个中子星结合的欢快的声音,天文望远镜也看到了它们相爱迸发的烟花!耳听为虚,眼见为实!从此,人类终于耳聪目明了!未来引力波天文学的一个极为重要的方向就是所谓的“多信使”天文学,也就是不但要“听到”天体发出的美妙的引力波,我们也要“看到”这些天体的倩影!

双中子星并合过程既能产生引力波,又能产生电磁波(图片来自网络)。


整个天文界都沸腾了,难道仅仅是因为看了一场史无前例的烟花表演饱了眼福?并不是!从此,耳聪目明的天文学家可以详细研究中子星内部的物质到底是什么,真的是一堆中子还是一团夸克物质?用引力波作为“标准烛光”替代超新星,是否会得到一幅不同的宇宙演化图像?爱因斯坦说了引力波的速度是光速,真的是这样吗?一个崭新的天文学、物理学和宇宙学的交叉前沿研究领域在一片惊呼中就这样诞生了!

我感到自豪的是,今年(2017年)6月15号发射运行的慧眼天文卫星也参加了这个创造了天文学历史的全球大联测!我和同事们那天(2017年8月17号)夜里用慧眼卫星对这个事件进行了观测和几乎实时的数据分析,迅速发布了观测结果!(我还因为在办公室打了个盹而小小地感冒了一场!)尽管慧眼卫星没有探测到这个事件的伽马射线暴,但是由于其伽马射线波段的灵敏度最好,对于这次事件的伽马射线辐射给出了最严格的限制,对于理解这样的引力波爆发过程是无可替代的。因为慧眼卫星的贡献,作为中国的一个大型团队,

慧眼团队110科学家带着慧眼的结果加入了这个“天文记录”(全球将近一千个单位的三千多个作者)的历史性论文。当然,作为慧眼卫星的首席科学家,我更关心的是,慧眼卫星什么时候能够看到产生引力波的时候绽放出伽马射线烟花?慧眼,加油!


慧眼HXMT卫星的示意图。

发现双中子星并合的历史性论文的截图:中国团队的名单。

发现双中子星并合的历史性论文的截图:中国团队的致谢。


张双南


↑物体运动时对空间的搅动↑

应力波在被证实之后,十分迅速地获得了2017年的的诺贝尔物理学,可以说掀起了人们对应力波的关注,而最新的科研成果,也就是这条新闻:

北京时间2017年10月16日22点,美国国家科学基金会召开新闻发布会,宣布激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件,国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。

这个跟之前获得诺贝尔奖的黑洞碰撞产生的引力波有什么区别呢?长话短说,黑洞是“黑的”,基本上除了引力波我们没有办法观察到它,所以就好像是黑暗中有个穿黑衣服的黑人在跳舞,所有人中只有一个带了夜视仪的人可以看到这个人在跳舞,其他人还是一脸懵逼,有人称之为“盲人摸象”,甚至于有胆大无畏的人直接说:LIGO发现应力波是是典型的“画鬼找鬼”的科学骗局(黄秀清语)。

但是这次的引力波就不一样了,这是由中子星合并产生的,除了发出引力波之外,还会发出可见光、红外光、紫外光、X射线、伽马射线,所以这次不是一个穿黑衣服的黑人在黑暗里跳舞了,而是一个人在黑夜里爆炸,但凡是个人,都能看到这个现象。

所以这次应力波的观测基本上是全世界的天文台和天文相关的卫星都在观测,但是能够测到引力波的还是只有LIGO,其他的都是测可见光、红外、X射线还有伽马射线。这样做的结果就是,LIGO把它观测到的数据拿出来,跟其他天文台和天文卫星测到的数据一对比,发现没错,就是这样,证明了这种观测手段的真实性和有效性,基本上可以说是让应力波板上钉钉了。

比如说下图,两幅灰色的图片都是光学望远镜的观测结果,上面的图片是中子星发生合并的时候的图片,下面是中子星发生合并前的图片,在图中准星的位置,可以发现多出来一个小黑点,而这个小黑点就是合并的中子星。这个光学观测结果,跟应力波的探测结果是一致的。此外,其他诸如伽马射线的探测结果等等,都一一得到了验证。

↑光学望远镜对中子星合并现象的观测结果↑

所以,这是人类首次将电磁波信号与引力波信号毫无疑义的联系在了一起。这就意味着,引力波作为一种新的观测手段可以作为人类研究宇宙空间的有力工具了。

天文学,从最开始只有光学观测,到加入射电望远镜、空间望远镜,一步一步,人类研究宇宙的方式越来越多样化。天文学在经过这么多年的发展之后终于有了这样一句话来总结:

天文学者还可兼用电磁辐射、中微子、引力波来做天文观察,就好像同时使用视觉、听觉、味觉来探测一个天文事件,这门学术领域被称为多信使天文学。

可以说是又是一大跨越。


航小北的日常科普


全球数十家天文机构同时宣布了这个“前所未有”的重大消息——人类第一次探测到了双中子星并合产生的引力波。

1.“双中子星并合引力波”是什么?

这是 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,倒很像是中子星而非黑洞。

除了质量的不同之外,其他 5 次黑洞合并没有被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。


2.中子星和黑洞都是什么?

黑洞和中子星都是大质量恒星死亡的产物(这里只涉及恒星级黑洞,星系中心的超大质量黑洞起源另当别论)

  • 如果原初恒星质量超过20太阳质量,它死亡(即中心核燃料耗尽)后会直接坍缩为黑洞。恒星级黑洞的质量至少为3个太阳质量,常常更高。


  • 如果原初恒星质量在8-20太阳质量之间,恒星死亡后只能形成中子星,质量一般在1.2-2太阳质量之间。

  • 更轻的恒星(如太阳)只能产生白矮星。


3.这样的现象,有什么意义呢?

正如问题1,黑洞碰撞产生的引力波是不能被观测到的,而天文学家们一直迫切地寻找引力波的电磁对应体。不然在探测之路上只能像个盲人一样,只能听不能看。

根据理论,如果一个引力波源能发光,它的附近一定存在物质或很强的电磁场。因为黑洞很有可能已把周围物质吞没,除非有特殊机制(比如黑洞带电或双黑洞在恒星内部),双黑洞并合不会给出非常明亮的电磁对应体。

如果两个中子星并合,即使并合后产生黑洞,在黑洞外也会有很多物质,因此会产生很亮的电磁辐射。如果并合产物不是黑洞而是超大质量中子星,电磁辐射会更强。理论预言,双中子星并合可能产生的电磁对应体包括短伽马射线暴和光学并合新星。这次当LIGO在天文圈里宣布他们发现了人类第一次见到的双中子星并合候选体后,全世界的望远镜都指向那个方向,那些预言的电磁信号都如约而至,并带来更多的惊喜和困惑。

这就是意义所在。


果壳视频


  • 中子星碰撞和黄金!LIGO开启一场宇宙大寻宝。

  • “这是你能想象的关于一次天体物理学事件最完整的故事之一。”

刚刚斩获诺贝尔奖的LIGO(激光干涉引力波天文台)已经改变了天文学的世界。当LIGO科学合作组织的科学家在2016年宣布他们首次探测到引力波时,这意味着他们找到了一种观测宇宙的新方法。有史以来第一次,科学家得以“倾听”由大型天体(比如黑洞)相互碰撞产生的时空涟漪。

但这一切只是开始。科学家一直以来的梦想是,把引力波探测跟来自更加传统的天文望远镜的观测结果结合起来。

周一,通过发表在学术期刊《物理评论快报》(PRL)上的多篇论文,由世界各地数千位LIGO科学家组成的团队发表了一项令人难以置信的研究发现。这些科学家不仅首次探测到了由两颗相互碰撞的中子星所产生的引力波,而且他们得以借助光学和射电望远镜找到它们在星空中的位置,成为这次天文事件的目击者。

“这是你能想象的关于一次天体物理学事件最完整的故事之一。”来自雪城大学(Syracuse University)的LIGO物理学家彼得·索尔森(Peter Saulson)说道。

每个数据源都讲述了这个故事不同的组成部分。

引力波会告诉物理学家天体有多大和有多远,并让科学家可以成功再现它们发生碰撞前的时刻。然后,通过可见光和电磁波获得的观测结果则能填补引力波无法回答的空白。这些观测结果能够帮助天文学家确认天体究竟由哪些物质构成,以及它们的碰撞产生了什么元素。

就这次事件而言,科学家得出了以下结论:中子星并合产生的爆炸能够制造包括金、铂和铀在内的重金属元素(科学家此前已经提出了这样的理论,但未能通过直接观测加以证实)。科学家得以直接目击正在施展的宇宙炼金术。

“我认为,这一发现的科学影响实际上要超过首次探测到黑洞碰撞所发出的引力波。”同样来自雪城大学的LIGO科学合作组织成员邓肯·布朗(Duncan Brown)说,“这其中涉及的物理学和天文学要多得多。”

这一切都始于世界各地科学家在群星之间展开的一场寻宝活动。

争分夺秒的宇宙大寻宝

8月17日上午8时41分,LIGO探测到有引力波穿过了地球,这些波能够引起时空的扭曲。LIGO由两个L型的天文台组成,它们分别被埋设在美国华盛顿州和路易斯安那州的地下。当引力波短暂地挤压或拉伸我们周围的时空时,LIGO能够捕捉到它们的信号。在过去的两年中,LIGO曾数次探测到黑洞碰撞所产生的引力波。

不过,这次探测到的事件有很大的不同。

一方面,这次的信号要比之前探测到的强得多,表明事件发生地距离地球更近。此外,信号足足持续了100秒,而黑洞碰撞的信号只有几秒钟。

当LIGO探测到引力波后,它自动向世界各地的数百位科学家发出了提醒,布朗就是其中之一。“我们很快就进行了联络,然后意识到这是一个非常‘响亮’的引力波信号,这让我们兴奋不已。”他说道。

科学家很快搞清楚:这一次不是黑洞并合。初步的分析显示,这次的引力波是由两颗中子星相互碰撞产生的——中子星是一种奇怪的致密天体,科学家认为它们是制造重元素的熔炉。

当LIGO探测到黑洞碰撞产生的引力波时,星空中看不到任何东西。顾名思义,黑洞是无法被看到的。但中子星碰撞呢?那应该放出一些能够被看到的“焰火”。

藏宝处

在引力波被探测到的那一天,科学家立刻从其他渠道得到了一些预示重大事件正在发生的线索。就在LIGO探测到引力波的两秒钟后,美国宇航局(NASA)的费米伽玛射线空间望远镜(FGST)探测到了一场伽马射线暴,这是宇宙中已知最强烈的能量爆发之一。

长期以来的理论认为,中子星并合会制造伽马射线暴。科学家判断这不可能是巧合。

但是,中子星并合事件的光学观测窗口期非常短。所以,LIGO合作组织的科学家突然感受到巨大压力,促使他们迅速展开行动。“越早能调动天文望远镜对目标展开观测,能获取到的信息也就越多。”布朗如是说。研究那些光线及其变化情况,科学家将能掌握关于中子星以及它们碰撞会如何转化物质的大量信息。

布朗及其团队投入到紧张的工作当中,他们跟世界各地的数十位科学家召开了视频会议。LIGO团队和VIRGO团队(VIRGO是位于意大利的引力波观测站)拼命赶制出一幅星图,展示了引力波源的位置。他们把范围缩小到星空中的一片区域,大致相当于你把手臂伸向星空时拳头的大小(即便如此,那在天文学上也是一片庞大的区域,一臂之外针头那么大的地方可能就包含着数千个星系)。意大利的VIRGO其实没有探测到信号,但正是这一点对校正位置起到了帮助作用。VIRGO知道盲点在哪里,所以中子星必定在其中一个盲点的附近。

以下就是结合FGST、LIGO、VIRGO以及另一个伽马射线探测器Integral所得数据制作的星图,每个探测器都得出了信号源的潜在位置区域,而它们重叠的地方就是这场宇宙寻宝的“藏宝处”。

有了星图在手,LIGO团队向一个全球性的天文学家网络发出了电邮提醒,让他们在夜幕降临后对星空的那片区域进行观测。

找到了!数个地面天文台在那一夜确定了“千倍新星”(kilonova)的位置,也就是在两颗中子星并合后发生的爆炸。在下面的左图中,你可以看到天文学家在发现之夜观测到的千倍新星,右图则是几天之后它看上去的样子,其光线已经暗淡了许多。

以下是千倍新星爆炸前(下图)和爆炸后(上图)的对比图。

这些图像可能有些模糊,但蕴含了大量信息。

有了准确的坐标,科学家可以将哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台对准千倍新星。依靠这些仪器,科学家能够目睹创造过程的一小部分。

相撞的中子星是如何造出金子的

中子星是一种非常奇特的天体。它们是恒星坍缩(亦即超新星爆发后)的遗物,密度极高。想象一下,有一个天体的质量与太阳相同,但直径仅为20多公里,这相当于把质量是地球33.3万倍的物质挤压成普通小岛那么大的一个球体。其内部的压力是如此之大,以至于里面只有中子。

在1.3亿光年外的一个星系中,两颗中子星在轨道上围绕彼此运行,它们之间的距离越来越近。每个中子星的密度是如此之高,产生的引力是如此之大,导致对方出现潮汐隆起现象。最终二者撞在了一起,撞击产生的能量制造出了扭曲时空的波浪,并且向太空喷发出大量粒子(这是和引力波一起探测到的伽马射线暴)。引力波和伽马射线以光速的速度传播,这是爱因斯坦广义相对论的又一个证据。可能中子星的质量够大,合并后足以形成一个新的黑洞。但还没有充分的证据来下结论。

不过,有证据证明:在爆炸后,剩余的很多中子结合在一起,形成各种元素。

我们所有人,以及地球上的所有元素,都起源于恒星。宇宙大爆炸创造了氢和氦等非常轻的元素。这些元素结合形成恒星,而恒星的聚变反应又形成了质量越来越大的元素。

当恒星变成超新星(坍缩和爆炸)时,更重的元素出现了。但布朗解释说:“黄金和铂金来自哪里?这长期以来都是未解之谜。”就算是超新星也不足以产生这些元素。

曾有理论认为,千倍新星(两颗中子星合并后爆炸)可以。由于天文学家这次能够迅速定位这次中子星合并事件,因此他们证明了这一点。通过探测爆炸余晖的光谱,证实了黄金和铂金的诞生。这就像亲眼目睹炼金术。

“地球上的黄金是在双中子星合并的核火焰中炼就的。”布朗说,“我现在戴着一枚婚戒,是铂金制成的。我非常喜欢,这是中子星相撞的产物。”

科学家相信,这开启了天文学的新纪元

右边是中子星物质的效果图,左边是碰撞周围的扭曲时空

这一发现令人兴奋不已,因为它意味着我们真正迎来了天文学的新纪元。它意味着科学家不仅可以研究天体发出的光和辐射,还可以把这些研究和引力波数据结合起来。

它意味着科学家拥有这种碰撞的全面数据,包括两颗中子星围绕彼此运行的数据、撞击时的数据和撞击后的数据。把所有这些数据源结合起来,就是“多信使”天文学。这是LIGO科学家自从该天文台建立以来就一直怀揣的梦想。

LIGO天体物理学家维基·卡洛杰拉(Vicky Kalogera)说:“想象一下,我们住在一个没有窗户的房间,只能听到雷声,却看不到闪电。再想象一下,我们身处一个有窗户的房间,不仅能听到雷声,还能看到闪电。看见闪电使我们有了一个研究雷暴天气和了解背后真相的新机会。”

引力波是雷声,望远镜观测到的爆炸就是闪电。

几周前,LIGO的三位创始成员因为他们的开创性努力而荣获诺贝尔物理学奖。最近的结果显示,这项科学研究得奖是实至名归。

引力波观测的一个有趣之处在于,它是守株待兔。LIGO和VIRGO“聆听”碰巧经过地球的任何引力波。每次探测都开启了自己的寻宝之旅,科学家必须弄明白是什么造成了时空中的涟漪。

科学家希望观测到更多的黑洞合并,更多的中子星合并。但也可能观测到更奇特、更炫酷的现象。如果LIGO和VIRGO继续升级改进,它们也许会发现,宇宙大爆炸产生的引力波至今仍在宇宙中回荡。或者,更加激动人心的是,它们也许会发现出乎意料或者从未被观测到的引力波来源。

“人类首次登月的时候,我还没有出生。这让我有点遗憾。” 路易斯安那州立大学物理学家、LIGO科学合作组织成员托马斯·科比特(Thomas Corbitt)说,“引力波的发现证明,人们共同努力可以取得巨大的成就。看到像这样的事情,实在是鼓舞人心,并促进了我们对宇宙的了解。”

翻译:何无鱼 于波

造就:剧院式的线下演讲平台, 发现最有创造力的思想

关注“造就”,您还可以在主页文章列表中了解更多关于引力波的知识


造就


笔者看,最大一个不同点就是为什么这次有这么多天文台都宣布了这个重大发现,这其中的原因非常有趣。

其实,今晚刚刚宣布的引力波发现其实一点神秘感都没有,引力波圈子里面谁都知道了,GW170817中子星合并在8月17号被捕捉到,于是世界上一大票天文台就开始跟风了,既然LIGO和Virgo都已经探测到了,如果其他天文台不去观测就有点说不过去了,都告诉你源就在那儿,这就是为什么这次引力波事件有一大波天文台跟风抢头条的原因。那么之前为什么就不抢呢,因为它们根本没有实力去抢,之前发现的四次引力波事件都是黑洞合并,黑洞这玩意把所有电磁波都自己吞掉了,所以只有LIGO能探测到。这次不同,这次是中子星合并,中子星的表面逃逸速度没有达到光速,所以各种电磁波都出来了,比如X射线、紫外线、可见光、红外、伽玛射线都出来了,所以就有了一大波天文台跟LIGO去抢头条了。

所以本来是LIGO才能探测到的引力波居然有如此多个天文台也出镜,原因就在于这次是中子星合并,比如欧洲南方天文台,引力波他们肯定是探测不到的,那只能去分析个伽玛射线、X射线之类的。但这些研究也是有意义的,因为这是人类第一次探测到中子星合并的引力波信号,持续时间大约为100秒。美国宇航局动用了雨燕伽玛射线卫星,哈勃望远镜,钱德拉X射线望远镜和斯皮策红外望远镜,还有数十个地面观测站,泛星望远镜等,用于观测中子星合并后的现象。

最后需要说的,GW170817源的第一个发现机构为LIGO,其他天文台都是配角,包括NASA在内,狐假虎威不是科学精神喔。


太空伊卡洛斯


施郁

(复旦大学物理学系教授)

这次引力波和电磁波同时观测到中子星并合,表明引力波和电磁波的探测可以协同进行,这标志着多信使天文学的开始。

之前4次引力波事件都是来自黑洞的并合,而黑洞是不发光的,天文学家没有观测到这些事件带来的电磁波。而这一次,因为是两个中子星的碰撞并合,在VIRGO和LIGO探测到引力波(代号GW170817)1.7秒钟之后,费米和INTEGRAL空间望远镜探测到这个并合事件产生的伽马射线爆(代号GRB170817A)。所以这是人类首次探测到同一天体事件产生的引力波和电磁波。随后,国际上很多天文台从各个波段都进行了观测,发现了金、铂等贵重金属元素的信号。

这个伽马射线爆是个短伽马射线爆,当天协调世界时(UTC)12:41:06到达地球。6分钟后,LIGO数据分析程序自动发现12:41:04到达Hanford探测器的引力波信号。VIRGO没有观测到,说明在它的盲点,这帮助了定位。

这次伽玛射线爆和引力波来源的方位送给70多个天文学家小组。智利的Swope望远镜首先在NGC4993星系附近发现一个新出现的亮斑。这个光学过程命名为SSSS17a。全球各波段的望远镜一起认定,这是一个中子星碰撞并合过程。这样就弄清了短伽马射线爆起源于中子星碰撞。这说明了引力波对中子星研究的作用。据认为,宇宙中大部分金元素就来源于这种碰撞过程。传统认为,重元素起源于恒星内部的核反应和超新星爆发,但是后来发现这还不够,所以认为中子星碰撞也提供了一个渠道。这次并合的产物是中子星还是黑洞,还不清楚。 中子星并合产生的引力波还可以提供宇宙学信息。


分享到:


相關文章: