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险错过的中子星引力波 为何引起天文界震动

2017-10-17 08:56 来源: 新华社
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  新华社讯 多国天文学家16日宣布首次直接探测到双中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号。这是人类历史上第一次实现引力波的多信使观测,为认识宇宙提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。

  去年2月,在华盛顿举行的新闻发布会上,显示屏展现出科学家们捕捉到的引力波信号图像。

  那么,中子星引力波怎么探测?为什么重要?解答了哪些疑问?还存在哪些问题?新华社记者就此采访了有关科学家。

  [险些错过]

  引力波由黑洞等天体在碰撞过程中产生,可把它想象成石头丢进水里产生的波纹。100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年才首次获得证实。

  8月17日,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到这次的中子星引力波信号。LIGO有两个探测器,分别建在相距3000公里的路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市。

  美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片。

  有意思的是,由于噪声污染,LIGO软件系统起初并没有在利文斯顿探测器的数据中检测到信号,差点让我们与这次重大发现失之交臂。幸运的是,利文斯顿探测器获得的数据足够清晰,促使软件快速确认这是一个引力波信号,并命名为GW170817。

  仅仅在LIGO观测到引力波信号后的1.7秒,美国费米太空望远镜探测到名为GRB170817A的伽马射线暴。“费米太空望远镜几乎在同一时间观测到伽马射线暴,让我们更加兴奋,也更有紧迫感,”加州理工学院LIGO数据分析小组负责人艾伦·温斯坦教授回忆说。

  LIGO和费米太空望远镜在遇到强信号时,会自动向天文界发送警报。这是一场与时间的赛跑,世界范围内的望远镜后续观测随即启动。大约11个小时后,位于智利的斯沃普望远镜率先观测到此次信号的光学对应物——位于名为NGC4993星系的双中子星系统。

  [三个第一]

  为什么中子星引力波引起天文界震动?专家们说,主要原因有三个。

  首先,第一次探测到双中子星合并。LIGO项目组成员、美利坚大学天体物理学家格雷戈里·哈里告诉新华社记者,此前观测到的引力波均来自黑洞。黑洞完全由扭曲时空构成,本质上没有物质,而中子星却是一个切实星体,观测两个中子星合并与观测两个原子核合并“并没有什么不同”,因此能深入了解核物质的行为。

  LIGO的技术人员正在美国路易斯安那州利文斯顿市的引力波探测器实验室内工作。

  哈里说,中子星引力波可以用来直接测量到源的距离,而相应的电磁信号给出了速度,由此可用来校准宇宙膨胀速度,即所谓哈勃常数,从而进一步回答宇宙从哪里来、又往哪里去等重大问题。

  其次,第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波。通过X光、紫外、可见光、红外及射电波的观测,使得确认宿主星系成为可能,并第一次提供一副关于包含中子星的双星合并后的完整物理图景。这一事件展示了引力波与电磁波等不同研究团队之间开展合作的重要性,也标志着多信使天文学跨入新时代。

  “我想说的是,这是第一次我们既能‘看到’也能‘听到’一个天文事件,这些不同的‘感官’体验将能给我们很多信息,”哈里说,“引力波天文学才刚刚开始,随着21世纪科技向前发展,我们可以期待引力波观测将为宇宙学、天文学、天体物理学、核物理学和引力学以及其他领域带来更多见解。”

  第三,地面红外望远镜探测到了中子俘获过程,从而首次提供确凿证据证实中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源,而之前天文学家只是推测。

  去年2月,LIGO联合创办者基普·索恩(右)与雷纳·韦斯(中)出席在华盛顿举行的新闻发布会。

  南非夸祖卢-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲在发给记者的电子邮件中开玩笑说:“如果有人问戴金戒指的女性朋友,她的金戒指从哪儿来?她应该说,这是从银河系中的合并中子星那里产生的。”

  [未解之谜]

  中子星是目前已知最小、最致密的恒星,由大质量恒星在生命最后阶段经过超新星爆发形成,与太阳同质量的中子星直径只有20千米,一小勺中子星物质的质量可达10亿吨。由于强引力,中子星的表面十分光滑,最高的山也只有几毫米高。由于中子星在宇宙中很常见,天文学家一直期待着发现双中子星合并的引力波信号。

  哈里说,如果没有引力波研究,中子星的许多性质都将是长期悬而未解的谜,包括在强引力作用下怎么弯曲变形、合并时会发生什么情况、质量多大时会形成黑洞等。

  去年2月,LIGO执行主任戴维·赖茨向媒体展示两个黑洞合并产生的引力波信号图像。

  “GW170817不能回答所有这些问题,但它给我们提供了以前没有的信息,并且表明引力波观测是解答这些问题的一个切实可行的方法,”哈里说。

  他指出,迄今探测到的5次引力波信号都与爱因斯坦的广义相对论完全吻合,但广义相对论却与量子力学不相容,因此一些观点认为广义相对论需要修正,诸如GW170817等事件是少数能在引力极限情况下验证广义相对论的办法之一。

  “到目前为止,我们还没有获得任何新线索,爱因斯坦的理论也许正确描述了我们的宇宙,无需任何修改或增加内容,”哈里说,“但我们还有可能观测到更强、更清晰的信号,那也许能向我们展示爱因斯坦引力理论所不能解释的东西。”

  具体到这次事件,双中子星合并之后变成了什么,依然没有答案。科学家列出了两种可能性,一种是变成了非常大质量的中子星,另一种是变成了黑洞。但不管是什么,它的质量大约相当于2.74个太阳。

责编:朱曦东

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