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秒速赛车:共同见证双子星合并 多信使天文学时

发布时间:2018-01-12

  在接下来的几个星期之内,天文学家动用了世界上最为先进的一些望远镜,比如钱德拉X射线空间望远镜(Chandra X-ray Telescope),哈勃空间望远镜,位于智利、口径达到8.4米的甚大望远镜(Very Large Telescope),还有亚毫米波段灵敏度最高的阿塔卡马大型毫米波阵ALMA等等,对该区域开展了紧锣密鼓的观测。这些观测对这一灾变性事件提供了从并合前约100秒到并合后数星期的全面描述,最终证实了科学家的很多猜想:NGC4993星系中的两个中子星并合,产生了引力波、短伽玛暴暴和千新星。

  2016年初,大卫莱兹曾站在这同一个地方,宣布人类首次探测到了引力波那时候我们说,多信使天文学新纪元即将开启。在这一次GW170817的探测中,人类首次同时探测到了引力波及其电磁对应体,这可以被视作引力波多信使天文学纪元真正意义上的开端,在天文学发展史上有着划时代的重大意义。另一方面,双中子星合并通常被认为是伽马射线暴的一类产生源,会产生很多不同的观测现象,所以综合引力波、电磁波等多个方式的观测,我们能够对中子星这一充满谜团的天体做出更为详细的了解。

  双中子星合并之后是产生了中子星,还是产生了黑洞?现在依然无法确定。因为通过引力波波形的拟合,合并后的质量约为2.74太阳质量。从理论上说,如果一个天体的质量超过3个太阳质量,通常会被认为是黑洞。而中子星的最大允许值并不明确,如果中子星的内部由中子构成,综合考虑状态方程和转速,要想达到2.74个太阳质量不太可能。然而如果内部由其他的奇异物质(比如夸克)构成的话,在一定条件下,这个质量的天体就有一定可能性,此时这一天体应该被称为“夸克星”。不过,目前所有观测都没能给出中子星和黑洞的临界质量,当然也没能给出夸克星存在的证据。从观测的角度而言,我们观测到的最重的中子星大约是2个太阳质量,最小质量的黑洞质量是5个太阳质量;在这两者之间,一片空白,还未发现任何致密天体的质量属于这个范围。所以,对于此次双中子星合并产生的2.74个太阳质量的天体,尽管我们还不能确定它到底是什么,但是这一发现填补了黑洞和中子星之间的空白,为日后更多的天文发现掀起了帷幕的一角。

  不过幸运的是,中国有两台望远镜参与了此次观测,一个是位于南极Dome A的50厘米的南极光学巡天望远镜(AST3),项目的负责人是紫金山天文台的王力帆研究员。在引力波源信息发布的约一天后,AST3望远镜开展了对于这个目标源的观测。而当时南极的冬天也刚刚过去,目标天体的地平高度较低,受于太阳的限制,每天差不多有2个小时左右的观测时间。此望远镜最终进行了10天的观测,最终得到了目标天体的光变曲线,与巨新星理论预测高度吻合。

  2017年8月17日,分布在全球各地的天文学家们获得了一个消息,LIGO和Virgo探测器探测到了一个持续时间为100秒左右的新引力波信号,其形式与两个中子星的并合相一致。在该引力波信号到达后大约1.7秒,NASA费米卫星搭载的伽玛暴监测器(GBM)和欧洲INTEGRAL望远镜搭载的SPI-ACS探测器均探测到了一个暗弱的短时标伽马射线暴,并将其命名为GRB170817A。由于二者时间和空间的一致性,被认为与引力波事件成协(“成协”指两种现象是相关的)。

  根据目前的理解,无论是大质量恒星坍缩形成的长时标伽玛暴,还是双致密星产生的短时标伽玛暴,尽管中心天体会有差别(或者是黑洞,或者是转动极快的磁星),伽玛暴的产生机制以及之后的演化都可以用一个被称为“火球”模型(fireball model)的理论来解释。在这个理论中,中心天体会在一段时间内,产生相对持续的极端相对论喷流,这就意味着,这些喷出物质会以接近光速速度,沿着天体的转轴方向向外运动。因为喷射出去的物质之间存在着速度上的微小差别,导致它们彼此发生碰撞,将自身运动的动能转化为气体粒子的热能,而后在磁场作用下产生我们所看到的高能辐射,也就是早期的伽马射线,这就很好地解释了我们所看到的伽玛暴。大质量恒星产生的喷流时间长,双中子星合并产生的喷流时间短,从而导致了我们观测上的差别。

  北京时间10月16日晚10点,一场长达两小时的新闻发布会在华府全国新闻俱乐部(National Press Club)召开,LIGO执行主任大卫莱兹(David Reitze)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日首次发现了一种前所未有的新型引力波事件!秒速赛车开奖直播由两个质量分别为1.15和1.6个太阳质量的双中子星并合所产生,根据探测日期确定编号为GW170817,距离我们1.3亿光年。此外,在全世界众多天文学家及探测设备的协同努力之下,还发现了该引力波事件的电磁对应体。

  因为产生引力波的天体完全不同,所以我们观测到的引力波形会存在较大差别。中子星的质量相较于黑洞要小很多,合并过程中对于时空的扰动变形程度更弱,所以,在目前探测器灵敏度确定的情况下,我们只可能探测到比较临近的引力波信号。这次的引力波源距离我们1.3亿光年,是目前探测到的所有引力波源中最近的一例。通过波形的拟合,科学家们确定了两个中子星的质量分别大约是1.15和1.6个太阳质量,合并后的天体质量约为2.74个太阳质量,抛射出去的仅有0.01个太阳质量。

  在9月底的第四次引力波发布会上,姗姗来迟的VIRGO已使得LIGO探测器的空间定位范围从1160平方度收缩到100平方度,二者协同合作,将空间位置的精确性大大提升。如果进一步利用贝叶斯统计方法对所有可能参数进行估算,空间定位将进一步缩减至60平方度。这样一来,空间定位就足足提高了将近20倍。在这次的双中子星事件中,三个探测器最终将产生源定位于一个28平方度的范围之内。正因空间定位准确性大大提高,电磁波段所探测到的空间确认才成为了可能。

  正如我们第一次直接探测到黑洞引力波一样,此次探测到双中子星引力波也完全是一个意外,而且来得有点早。此前,科学家们根据对双中子星的了解和LIGO探测灵敏度的分析比较,估计至少要等到aLIGO进一步升级、达到预期灵敏度之后,LIGO/VIRGO才有可能探测到双中子星合并,差不多至少要等到2019年。人类提前两年成功探测到双中子星合并,算得上是一个美好的惊喜了。如果究其原因,除了探测到的这一系统距离我们比较近之外,多方面联合协作是促成此次成功探测的重要因素。

  对于伽玛暴而言,在上世纪末BeppoSAX卫星在轨工作期间,网络已经兴起,NASA建立了一个伽玛射线暴协调网络(Gamma-ray Coordinates Network, GCN)的邮件系统;一旦某个卫星探测到伽玛暴信号,将会以最快速度把伽玛暴的位置信息发送到此系统中,凡是订阅了该邮件系统的人都能够即时收到提示,以便开展可能的观测。此次费米观测正是利用此系统,将观测信息以最快的速度通知给了全球的很多组织,随后才有众多望远镜纷纷加入观测。当然,对于LIGO/VIRGO组织而言,为了保证其可能的后续观测,他们与全球近70个观测组织(中国有将近10个组织)签订了备忘录合同,一旦引力波信号被探测到,也会通过其特有的渠道传递相关信息。

  此次探测堪称全球协作的一次完美体现,不过,就像大卫莱兹在发布会上所说,NASA费米卫星伽玛暴信号的探测使得此次LIGO探测大放光彩。尽管引力波信号先于伽马射线信号产生,但有趣的是,NASA费米卫星发送的探测信号要早于LIGO团队的信号。原因在于,NASA费米卫星的伽玛暴监视器在探测到伽玛暴信号GRB170817A之后,自动向GCN系统发送了相关警报。然而,LIGO的自动数据分析就耗时约6分钟科学家们先是在LIGO汉福德观测站几乎同一时刻的数据中,找到了一个引力波事件候选体GW170817,发现此引力波早于GRB170817A两秒发生,LIGO-Virgo快速响应团队随后手动检查了数据,才向其签订合作协议的组织发布了警报。之后,科学家又进一步在欧洲INTEGRAL卫星的观测数据中确认了伽玛暴信号的存在。本来平淡无奇的伽玛暴信号,因为与一个很强的引力波候选体同时存在,一下子引起了整个天文界的观测兴趣,此天区也成为了一个热门的观测对象。秒速赛车:共同见证双子星合并 多信使天文学时代正式开启

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