为什么说中子星引力波开启天文学新时代?

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发布日期:2017年10月19日 所属分类:天文
为什么说中子星引力波开启天文学新时代?

中子星并合艺术想像图。| Robin Dienel; Carnegie Institution for Science

在迄今为止最严密的天文观测事件中,两颗中子星相撞,涟漪穿越时空,闪光的亮度超过十亿个太阳。

此次中子星引力波事件引发天文学界内外广泛关注。LIGO的负责人戴夫·雷泽说:“这一发现的惊人之处在于,它是我们首次获得宇宙中最剧烈事件之一的全景图。这是有史以来最严密的一次观测。”参考消息对此次中子星引力波探测外媒的报道与解读进行了编译盘点。

双星碰撞场面震撼

据英国《卫报》网站10月16日报道,设在美国的激光干涉仪引力波观测台(LIGO)首次捕捉到了整个过程。在镜头中,两颗密度极高的中子星向内盘旋,剧烈相撞,很可能立即塌缩成了一个黑洞。

分别安放在路易斯安那州和华盛顿州的两个LIGO观测设备捕捉到1.3亿光年外那次碰撞引起的时空震颤后,全球各地天文学家都接到了通知。短短几小时内,太空和地面的70架望远镜都调整了方位观察发红的余光,使之成为首个既以引力波也以光的形式被“看见”的宇宙事件。

为什么说中子星引力波开启天文学新时代?

双中子星并合后发出短伽玛暴和巨新星辐射的示意图。| NASA/AEI/ZIB

LIGO的负责人戴夫·雷泽说:“这一发现的惊人之处在于,它是我们首次获得宇宙中最剧烈事件之一的全景图。这是有史以来最严密的一次观测。”

中子星是已知体积最小、密度最大的恒星,一茶匙中子星物质的质量约为10亿吨。其中心是纯中子,而表面光滑坚实,硬度是钢铁的100亿倍。

LIGO捕捉到的100秒嗡嗡声讲述了各自都比太阳略重的两个星体是如何走近死亡的。它们刚开始相距约320公里,以每秒30次的速度绕着彼此转动。随着它们向内盘旋,逐渐加速到每秒2000圈,声音信号像滑哨一样逐渐增强。

两秒钟后,美国国家航空航天局(NASA)的费米太空望远镜捕捉到了伽马射线的剧烈爆发,那是冲击波穿过碰撞时星体两极喷涌出的物质而散发出来的。

报道称,接下来发生的事情尚不确定。按照理论上的预言,它们很可能瞬间就在引力作用下塌缩成了黑洞。

LIGO科研协作部门发言人戴维·休梅克表示:“这(大概)是首次观察到黑洞的产生,太酷了。”

解开黄金形成谜团

另据英国《每日电讯报》网站10月16日报道,数千年来,炼金术士痴迷于黄金形成的奥秘。但是,现在科学家终于解开了这个谜团。中子星在剧烈碰撞中形成了贵金属,然后将之抛入宇宙,最终它们与其他星尘聚合成更大的星体,比如行星或彗星。

报道称,此前,科学家就提出相关理论,认为这种宇宙撞击可能产生巨大能量,足以形成黄金、白金和银,但是他们第一次切实记录了这个过程。

8月17日,美国天文学家捕捉到1.3亿年前两颗中子星碰撞的信号,那时恐龙还在地球上漫游。中子星的撞击力如此强大,以致于不仅震撼了宇宙空间,而且震撼了时间,并通过宇宙的构造传出波纹——或称引力波。

当地球探测到这种波纹时,全世界天文学家都将天文望远镜对准了波纹产生的空间区域,他们很快捕捉到了碰撞产生的光亮的余辉。那团光亮的内部具有明确的黄金、银和白金的化学特征。

为什么说中子星引力波开启天文学新时代?

引力波及其电磁对应体的发现,有助于科学家结合不同信息研究天体的性质,并检验宇宙的基本规律。

沃里克大学的乔·莱曼博士说:“珠宝中的黄金或白金这些重金属元素实际上是中子星合并过程中由温度达10亿摄氏度的残留物形成的渣子。”

报道称,8月探测到的两颗星体与太阳一样重,然而直径只有几十千米。它们位于一个叫做NGC4993的星系。LIGO观测到了中子星碰撞产生的时空涟漪。2015年9月,正是它首次发现了引力波的存在,证实了爱因斯坦100年前的推测,这个观测项目的3名先锋还因此获得了诺贝尔奖。

那次,发生碰撞的是两个黑洞,因此只探测到了时空涟漪,因为其他所有物体都被吞进去了。但是,中子星要比黑洞更亮一些,因此当它们发生撞击与合并时,一小部分星体质量和辐射能够逃离出来,以引力波的形式被探测到。

奥克兰大学天体物理学家J·埃尔德里奇博士说:“黄金、银和白金是由中子星的星尘构成的。在此次碰撞中,很可能产生了相当于地球质量100倍或1000倍的黄金及其他元素。如果中子星的合并速度足够快,快到我们现在能够想像的速度,那么这些消失的星体现在已成为宇宙中大部分此类元素的源头。”

获众多突破性发现

据西班牙《阿贝赛报》网站10月16日报道,2016年2月科学家宣布首次探测到引力波,这是历史性的发现,首次证实爱因斯坦相对论预测的时空扭曲是真实存在的。它同时说明,现代科学技术如此发达,可以捕捉到像引力波这样微妙的信号,因此现在可以通过引力波而不是过去常用的电磁波(光、X射线或伽马射线)来研究宇宙,不仅可以观察宇宙,还可以“倾听”宇宙。借助这一发现,迄今已经四次探测到双黑洞的合并,并且可以预见这种合并比科学家预计的要多得多。

本周一又有一个与首次发现引力波同样重要的突破。科学家用望远镜看到和“听到”同一个来源的引力波:具体而言是由距离地球约1.3亿光年的两个中子星合并所发出的引力波。全世界超过70个地面和空间天文观测站以及3500多名科学家观测到这个引力波被捕捉到的中子星合并事件。

得益于此,科学家又获得很多与多种现象相关的发现,例如物质的行为、太空重原子的产生、γ射线脉冲的原点以及宇宙扩张的速度等等。这次发现是迄今以来得到最多观测的天体活动之一,它开创了天文学今后数十年探索宇宙奥秘的新时代。

有助探索宇宙奥秘

“这次观测代表着多信使天文学的诞生。”最近刚刚因为发现引力波而获得2017年诺贝尔物理学奖的科学家巴里·巴里什对《阿贝赛报》记者说。他表示这是一门新的学科,研究的是利用电磁波观测那些引力波可以被“听到”的物体。“依靠这种手段已经获得了很多不同发现,例如仅靠引力波数据确定伽马射线暴的起源、研究中子星等等。”

为什么说中子星引力波开启天文学新时代?

LIGO位于华盛顿州汉福德的探测器,其两个干涉臂的方位分别为N36°W与W36°S。| Wikipedia

报道称,参与研究的LIGO合作人员、西班牙相对论和引力波问题专家阿莉西亚·辛特斯认为,这是一个历史里程碑,代表着多信使天文学的开始。这次引力波观测将是天文学历史上得到最多研究的事件之一,将会有无数文章进行论述,其中之一将汇集3500名作者。

如果说10月16日公布的结果让人惊喜,那么未来更让人憧憬。LIGO合作人员、伊利诺伊大学中子星物理研究专家斯图尔特·萨菲罗解释说,这次发现是多信使天文学的圣杯,但他预言今后还将有更多突破,“可以观测到超大黑洞的合并,更多的中子星合并以及白矮星合并等等,所有这些都与星系和整个宇宙的结构和演变密切相关”。

这些发现还将有助于解决与暗物质和能量有关的重要问题。数十年后,新的观测台或许甚至能够捕捉到宇宙大爆炸留下的引力波,虽然这在当前还是科学幻想。

报道称,引力波已经开创了一个新时代,结合电磁波,加上全球科学家的合作与努力,人类将在探索宇宙奥秘方面跨出历史性的一大步。

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