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2017年10月17日 星期二 14:09 PM

北京時間10月17日消息,美國國家科學基金會邀請引力波研究科學家在10月16日晚間召開發佈會,通報了引力波研究領域的重要進展。科學家們宣布他們首次檢測到了一種新型的引力波,來自中子星合併事件,並且與前幾次引力波事件都不同的是,此次科學家們還檢測到了產生此次引力波信號的對應天體。如果將引力波比作聲音,而將光學波段的觀測比作視覺,那麼此前四次的引力波信號都是“只聞其聲,不見其人”,而這一次,我們找到了引力波信號對應的天體,可謂“聞其聲,且見其人”--面對廣袤宇宙,我們變得“耳聰目明”了!

那麼,如果你錯過了這場發佈會,以下就是關於這次發佈會最核心內容的通俗解讀。

新進展一:首次觀測到新型引力波

簡單一句話,就是這一次我們探測到了一種跟之前幾次完全不同類型的引力波信號。

迄今為止,全部探測到的五次引力波事件。前面四個都來自黑洞的合併,最下面那個是今天宣布的,首個來自中子星合併的引力波信號。可以看到,這一信號的持續時間明顯要比之前來自黑洞合併的引力波信號長得多

迄今為止,全部探測到的五次引力波事件。前面四個都來自黑洞的合併,最下面那個是今天宣布的,首個來自中子星合併的引力波信號。可以看到,這一信號的持續時間明顯要比之前來自黑洞合併的引力波信號長得多

引力波大新聞:面對宇宙我們變得“耳聰目明”
引力波大新聞:面對宇宙我們變得“耳聰目明”

中子星合併併產生引力波示意圖。大約13億年前,兩個間隔大約300公里,相互繞轉的中子星逐漸靠近,越轉越快,造成周圍時空的擾動,產生引力波信號,並最終合併為一體

引力波的歷史可以追溯到100年前的1916年,那一年,愛因斯坦在他發表的廣義相對論中首次預言了引力波這種現象的存在。引力波是大質量天體運動在時空中造成的漣漪,但是這種效應極其微弱。事實上,愛因斯坦本人對於人類能否最終探測到引力波也是沒有多少信心的,因為引力波造成的效應實在太過微弱,打個比方,從距離我們4光年外的比鄰星拉根線到地球上,當引力波信號通過造成時空扭曲時,這根線的長度會發生變化。通過對這根線長度變化的觀測,我們就能判斷有引力波通過。但是,當引力波通過時,這根4光年長的線的長度變化大約只相當於人的頭髮絲直徑那麼大!

然而,就是這麼難以置信的測量精度,科學家們做到了。在2015年9月14日格林尼治時間09:50:45(北京時間17:50:45),位於美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州列文斯頓的LIGO探測設施均接收到一個引力波信號,並根據其信號發現時間,將其編號為“GW150914“。分析結果顯示,信號GW150914是由兩個質量分別為36倍以及29倍太陽質量的黑洞合併過程中而產生的,合併后形成的單一黑洞質量約為62倍太陽質量,可見有將近3倍太陽質量的物質被轉化成了引力波,而這一事件的發生地遠在13億光年之外。這是一次里程碑式的事件:人類首次直接探測到了100年前愛因斯坦所預言的引力波信號。

而自那以後,科學家們又陸陸續續探測到了3次新的引力波信號,編號分別是GW151226,GW170104以及GW170814,另外,還有一次疑似的引力波信號LVT151012。從編號上,可以很清楚的看到信號被接收到的日期。其中最新的一次,也就是GW170814是歐洲自己的引力波探測設施Virgo首次探測到引力波信號。

以上,所有這4次得到確認的引力波信號都有一個共同點,那就是它們無一例外都是來自兩個黑洞的合併。但是宇宙中能夠產生強烈引力波信號的來源有很多,除了黑洞合併之外,理論上中子星合併產生的引力波信號同樣有可能被LIGO等設備探測到。於是人們就非常期待這一天的到來,LIGO的科學家們也多次公開表示,他們希望能夠檢測到來自中子星合併的引力波信號。

儘管有預期,但大家都沒想到這一天會來的如此之快。就在今年的8月17日美國東部時間8:41(北京時間當天20:41),LIGO探測器檢測到第五次引力波信號GW170817,而且這次這次和前四次都不一樣,這個信號的特點顯示其來自兩顆中子星的合併。說具體一些,參與其中的兩顆中子星質量分別為1.1倍以及1.6倍太陽質量,距離地球大約1.3億光年。LIGO研究組實現了他們的又一次重要進展:新型引力波的發現。

新進展二:首次觀測到引力波光學對應體

簡單一句話,就是這一次我們不但探測到了引力波,而且還找到了產生這個引力波信號的源頭。

科學家們拍攝的引力波信號GW170817光學對應體。可以看到在兩顆中子星合併之後4天時拍攝的畫面中,光學輻射波段還很明亮,可以看到一個小亮點,但隨着時間推移,逐漸消失了科學家們拍攝的引力波信號GW170817光學對應體。可以看到在兩顆中子星合併之後4天時拍攝的畫面中,光學輻射波段還很明亮,可以看到一個小亮點,但隨着時間推移,逐漸消失了在LIGO引力波探測器檢測到引力波信號通過的幾乎同時,正在地球軌道上運行的美國宇航局“費米”伽馬射線望遠鏡和INTEGRAL等探測器監測到一個劇烈的伽馬射線爆發事件。這一意外驚喜極大的幫助科學家們縮小了引力波來源天體的方位區域在LIGO引力波探測器檢測到引力波信號通過的幾乎同時,正在地球軌道上運行的美國宇航局“費米”伽馬射線望遠鏡和INTEGRAL等探測器監測到一個劇烈的伽馬射線爆發事件。這一意外驚喜極大的幫助科學家們縮小了引力波來源天體的方位區域

2017年8月17日美國東部時間8:41(北京時間當天20:41),兩台設在美國的LIGO探測器,以及設在意大利境內的Virgo探測器都接收到了一次新的引力波信號。

儘管LIGO探測器最先檢測到此次引力波信號,但卻無法在天空中準確定位出其方位。然而,藉助歐洲Virgo引力波探測設施的幫助,科學家們得以將此次引力波出現的區域框定到一個比較小的範圍內。在經過一系列數據矯正之後,科學家們確認這一信號應該是來自南半球的一片小範圍天區。這一結果就為此後精確找到產生引力波的來源天體奠定了堅實的基礎,而這是此前幾次引力波事件中都不曾具備的條件。

另外,在LIGO引力波探測器檢測到引力波信號通過的幾乎同時,正在地球軌道上運行的美國宇航局“費米”伽馬射線望遠鏡監測到一個劇烈的伽馬射線爆發事件。這一意外驚喜極大的幫助科學家們縮小了引力波來源天體的方位區域。隨後, 引力波研究組的科學家們向全球各地的同行們發出了申請支援的請求並很快得到積極響應。

幾小時內,幾台大型地面望遠鏡開始指向科學家們框定的南半球那片區域開始尋找可能的引力波源頭並很快得到結果。光學望遠鏡報告它們在預定天區找到一顆“新出現的星”,那裡正是兩顆中子星合併的現場,也就是產生了這次引力波信號的源頭。最終,全球有超過70個天文台以及超過100台觀測設備從各個波段投入了這項全球觀測大協作。這是引力波研究領域的又一座嶄新里程碑,如果將引力波比作聲音,而將光學波段的觀測比作視覺,那麼此前四次的引力波信號都是“只聞其聲,不見其人”,而這一次,我們找到了引力波信號對應的天體,可謂“聞其聲,且見其人”--面對黑暗廣袤宇宙,我們變得“耳聰目明”了!

新進展三: 首次證實中子星合併事件可以產生大量重元素

簡單一句話,就是這一次我們發現中子星合併過程會產生大量的重元素,這解決了長期以來的一個謎團。

從地面到太空,從赤道到南極,全球有超過70個天文台以及超過100台觀測設備從各個波段投入了這項全球觀測大協作從地面到太空,從赤道到南極,全球有超過70個天文台以及超過100台觀測設備從各個波段投入了這項全球觀測大協作觀測數據顯示,在這兩顆中子星的合併現場可以觀察到明顯的跡象,顯示那裡合成了大量重元素,包括金,鉑和鈾等。這回答了一個長期懸而未決的問題:宇宙中的重元素從何而來?觀測數據顯示,在這兩顆中子星的合併現場可以觀察到明顯的跡象,顯示那裡合成了大量重元素,包括金,鉑和鈾等。這回答了一個長期懸而未決的問題:宇宙中的重元素從何而來?

這個可以說是一個副產品了。科學家們在對這個光學對應體進行觀測時候,發現這兩個中子星合併的過程中產生了大量的重元素,比如金,珀,以及鈾之類。這是對之前理論的一次證實。

中子星是體積非常小,但密度極高,質量很大的奇異天體,它們是大質量恆星爆炸后的產物。中子星是最接近黑洞但沒有變成黑洞的天體,它們的密度極大,僅次於黑洞。一湯匙的中子星物質幾乎相當於全世界70億人的體重加在一起的總和。而此次引力波事件所探測到的,正是一次發生在大約1.3億年前的兩顆中子星之間的相互合併事件所產生的引力波信號。

這次引力波信號的一大不同之處就在於這一次科學家們成功鎖定了它的來源在天空中的位置,並引導大批觀測設備從光學,紅外,射電,伽馬射線,X射線等不同波段進行了全方位觀測。很快,美國南雙子望遠鏡,以及歐洲南方天文台的甚大望遠鏡以及哈勃空間望遠鏡等的觀測數據顯示,在這兩顆中子星的合併現場可以觀察到明顯的跡象,顯示那裡合成了大量重元素,包括金,鉑和鈾等。

這是一項重要進展。科學家們知道在宇宙大爆炸時產生了大量輕元素,主要是氫和氦,除此之外在元素周期表上一直到鐵的所有這些元素,基本都是在恆星內部的核聚變過程中產生的,但比這質量更大的元素究竟如何產生,一直未能得到很好的理解。超新星爆發過程等機制可以解釋一部分重元素的產生,但是光靠這些機制很顯然難以解釋宇宙中重元素的實際丰度。而此次中子星合併產生重元素的機制首次得到觀測證實,從而解決了一個長期以來困擾物理學界的問題。

哈佛大學史密森天體物理學中心的厄爾多·貝格(Edo Berger)表示:“此前元素周期表中那些質量最大的元素的起源一直不甚明了,直到今天--我們了解到,它們可以在中子星的合併過程中被產生出來。”他說:“每次這樣的合併事件都能產生質量超過一個地球的貴金屬,比如珀金和黃金,還有很多非常稀少的稀土元素。”事實上,科學家們的計算顯示,今年8月17號觀測到的這次中子星合併事件,產生了相當於10倍地球質量的黃金和鉑金。這些重元素在這裡被製造出來,並隨後被撒播到宇宙各處,或許其中一部分會有一天落到地球上,最終成為了我們婚禮上的愛情信物。(晨風)

來源:新浪科技, http://tech.sina.com.cn/d/s/2017-10-17/doc-ifymviyp1838295.shtml

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