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首个来自双中子星并合的引力波被探测到

标签:无 2017-10-17 0

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2017年10月16日,科学家宣布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。这次发现是由位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)和位于欧洲的室女座干涉仪(Virgo)引力波探测器,以及其他70个地面及空间望远镜共同完成的。这标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件。

(戳视频,让你了解多一点!)

本次发现的重点摘要:

Ø 有史以来,人类第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波与电磁波。

Ø 首次发现双中子星引力波

Ø 人类第一次看到引力波体的电磁信号

这个被命名为GW170817的引力波信号于2017年8月17日晚上8时41分(北京时间)被观测到。这一事件发生在LIGO-Virgo首次联合探测到双黑洞并合之后仅仅三天。这次观测由两个相同的LIGO探测器完成,它们一个位于美国华盛顿州的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。由位于意大利比萨附近的Virgo探测器提供的信息可以提升引力波事件的空间定位能力。



图1: 这些图显示了GW170817信号在每个LIGO和Virgo探测器中的频谱。水平轴是时间,竖直轴是频率。信号从左侧靠低处开始,提升至右侧的陡峭曲线。

“双中子星并合”被认为是引力波观测的首要目标

这一次的引力波由长蛇座中星系NGC 4993的两颗中子星并合所致,中子星是目前已知的最小、最致密的恒星,是大质量恒星在演化的最后阶段经过超新星爆发形成的。双中子星系统可以通过万有引力作用相互吸引和旋进,并发出引力波。在最终并合前的100秒以内发出的引力波信号正好位于激光干涉仪的灵敏频段内,因此有机会被观测到。同时,中子星并合以后还会发出短伽玛射线暴,该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。



图2:长蛇座的NGC 4993星系(模糊的亮点)



图3:艺术家关于两个并合中的中子星的想象。窄束代表着伽玛暴,而扭曲的时空网格标志着由并合产生的各向同性的引力波。旋转的物质团块是从并合的双星中抛射出的物质,可能导致了较低能量的电磁信号源。(来源:国家科学基金会/LIGO/索诺马州立大学/A. Simonnet。)

双中子星并合的引力波信号一直是引力波天文学家们所期望的。中子星的想法最初是在80多年前的1934年提出的,经过33年之后,才第一次被观测到。1967年,天蝎座X-1的X射线辐射被证实来自一个中子星,而在同一年,第一个射电脉冲星被发现,从那时起,一些双中子星系统也陆续被发现。双中子星为广义相对论提供了极强的观测检验,也成为支持引力波存在的第一个坚定证据,随着中子星在宇宙中越来越常见,在LIGO发展的早期,双中子星并合被认为是引力波观测的首要目标。



图4:显示由LIGO和Virgo推定的GW170817位置。两个椭圆(蓝色和绿色)分别显示了两种不同LIGO分析代码得出的定位。十字符号显示了天蛇座中NGC 4993星系的位置。右侧底部的图显示了科学家通过分析引力波估算出的到源的距离。

之前LIGO和Virgo探测到4次来自双黑洞的引力波信号,在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间,然而,在8月17日探测到的这个信号持续了100秒,并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同。数据表明这是两个距离地球1.3亿光年的天体相互旋进而产生的信号,质量也没有双黑洞大,相反,这两个相互旋进的天体的质量估计为1.1~1.6倍太阳质量,恰好是中子星的质量范围。

人类第一次看到引力波体的电磁信号

这次的发现打开了等待已久的多信使天文学的新窗口,就在 GW170817引力波信号到达之后不到两秒的时间内,NASA的费米卫星就探测到了一个伽玛射线暴,命名为GRB170817A。随即,全世界各地的望远镜都开始了忙碌的观测。在接下来的几个星期内,天文学家在光谱不同波段上都投入了观测设备,这些观测都验证了这一假设:NGC4993中的两个中子星并合,同时产生了引力波、短伽玛暴和千新星。在2015年以前,引力波的观测是缺席的;2015年到不久前,探测到的引力波事件都是双黑洞并合,没有令人信服的电磁波对应物被探测到,这次的引力波探测首次实现了引力波与电磁波各波段的联合观测。



图5: 引力波、伽马射线和可见光的位置。左边的小格子展示了90%置信区间投影区域,分别来自LIGO(浅绿色),LIGO-Virgo(深绿色),来自费米与INTEGRAL时间延迟得到的三角定位(浅蓝色),费米GBM(深蓝色)。放大图展示了宿主星系NGC4993的位置,包括了来自并合后10.9小时的Swope光学发现图片(右上方)与在并合20.5天前的图片(右下方)。

有史以来,人类第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波与电磁波,两者的协同观测,展示了联合引力波、电磁波和中微子的不同研究团队之间合作的重要性,标志着多信使天文学与时域天文学的新时代就此开启。

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LIGO由美国国家自然科学基金(NSF)资助,加州理工学院和麻省理工学院负责建造和运行,德国(MPG)、英国(STFC)和澳大利亚(ARC)也作出了重要贡献。来自世界各地的1200多名科学家通过LIGO科学合作组织参与具体工作,其中包括GEO合作组织。我国清华大学信息技术研究院也成立了LIGO科学合作组织工作组,该工作组由信息技术研究院曹军威、范锡龙和计算机系都志辉、郭翔宇(已经研究生毕业)组成,自2009年成为LIGO科学合作组织正式成员,参与了迄今为止的所有引力波发现并作出贡献,工作组近两年来在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面开展了算法设计、性能优化与软件开发等方面的工作。

Virgo合作组织由来自20个不同的欧洲研究团队的280名物理学家和工程师组成:6个来自法国的CNRS、8个来自意大利的INFN、2个来自荷兰的Nikhef、还有各1个分别来自匈牙利、波兰和西班牙。Virgo探测器位于意大利比萨的欧洲引力天文台。

清华大学信息技术研究院研究员、副院长,国际激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织理事会成员曹军威,中国科学院国家天文台研究员、黑洞及其高能爆发现象研究小组负责人、中国科学院大学教授苟利军为本文提供部分撰写资料,特此感谢。

文章由企鹅科学和科普中国联合推出

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