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“醒醒!”一位天文学家对另一位天文学家喊道。这一喊引发了一次快节奏的国际合作,让我们就最近历史时期内对宇宙的理解有了重大飞跃。

LIGO与中子星相撞的六大惊人真相

LIGO发现引力波与中子星相撞事件

2016年2月,科学家宣布,他们使用全新方式观察宇宙时首次探测到了引力波——两个合并的黑洞大碰撞时在宇宙产生的涟漪。这是历史上的重大发现。

什么是LIGO?

之后,同一望远镜LIGO(全称激光干涉引力波天文台)又探测到了三次黑洞合并事件,证实了爱因斯坦广义相对论作出的重要预测。这一探测对我们理解宇宙而言非常重要,因此LIGO科学家巴里·巴里什(Barry Barish)、基普·索恩(Kip Thorne)和雷纳·韦斯(Rainer Weiss)在这个月初荣获了2017年诺贝尔物理学奖。

这周,LIGO与来自全球各地其他70个天文台的天文学家强强联手,再次为我们带来了重大新闻。他们首次探测到了由两颗中子星最终相撞产生的引力波,通过观察电磁谱目睹了这一事件,而这一发现开启了多波段天文学与多信使天文学新时代。

这可是一则大新闻,自从八月探测到引力波以后数月,天文学家还在就这一话题谈论不休。事实证明,要让天文学家保守秘密是一大难事。一些科学家在推特上泄露了信息,不过更加明显的是,突然之间,全世界几乎所有最大和最先进的望远镜开始同时望向一个区域——1.3亿光年外看似平平无奇的一个星系。诸如哈勃望远镜、绿岸望远镜和费尔米望远镜等大型望远镜都公开发布了当前的观察对象。有许多非公开消息称,《自然》杂志发表了一篇文章,总结了自八月份以来所有的相关小道新闻。

为什么天文学家会对这一发现这么兴奋,为什么你也应当如此,有六大原因。

1.两颗中子星合并还从未被观察到过。

2017年8月17日,LIGO望远镜探测到了一个清晰的信号,但它持续的时间要比黑洞合并时发出的信号长得多,能持续一分钟之久,后者只有几秒。LIGO科学家不断仔细查看这些信号,希望能找到与有着十几万种模版的模板库匹配的地方。换言之,进行匹配的软件要辨别探测到的信号是否与模型预测的观察对象一致,包括任何特殊合并事件。不像LIGO所有之前的探测结果,信号都来自遥远的黑洞合并事件,8月17日,科学家有史以来在南半球首次探测到了两颗中子星最终相撞事件,其中一颗质量为太阳的1.1倍,一颗为太阳的1.6倍,距离我们1.3亿光年。

中子星密度非常大,是恒星衰亡之际发生超新星爆炸后留下的残骸。他们完全由中子组成,密度比原子核大三倍。中子星质量一般是太阳的一至两倍,直径20至25千米,或只和纽约市曼哈顿区差不多长。

模型显示,首先只有一颗中子星相对安静地运转着,接着第二颗中子星出现,接近之,并与其构成一个双星系统在宿主星系中穿梭。据广义相对论,中子星互相环绕时,该双星系统在逐渐丢失能量,向外辐射引力波。这就是LIGO探测到的信号。

它们终将相撞,成为宇宙中最猛烈、震撼的事件之一。不过,这些我们之后再说。

2.中子星相撞事件来之过快,科学家未来得及发现其宿主星系。

即使有两个探测设备(一个在美国路易斯安那州,一个在美国华盛顿),LIGO也只能将信号源定位到1 000平方度以内的区域,而这一面积太大,无法有效缩小信号源所处的范围。

然而,就在此时,LIGO的姐妹天文台——位于意大利卡希纳的VIRGO天文台——在长时间进行升级之后,于八月初再次投入使用。LIGO与VIRGO一起工作,将探测到的同一信号定位到了30平方度的区域以内。

科学家发现,费尔米望远镜几乎在LIGO、VIRGO探测到信号的同一时间发出了警报,这使他们得以进一步缩小信号源所在的范围。正是该发现让天文学家喊出一声“醒醒”,并引发了一系列快速行动和集中探索。费尔米项目科学家朱莉.埃内里(Julie McEnery)表示头天早晨是“费尔米项目执行九年以来最激动人心的时刻”。

费尔米伽马射线太空望远镜用来探测宇宙中的伽马射线——光最高的能量形式,如有所发现,会像科学家发出警报。INTEGRAL(国际伽马射线天体物理实验室),欧洲一所伽马射线天文台,后来同样探测到了著名的短期伽马射线暴。通过LIGO、VIRGO和费尔米望远镜联手合作,科学家得以将中子星相撞事件的发生区域缩小至大约50个星系。

3.科学家首次探测到引力波和电磁波来源于同一物体。

探测到伽马射线暴与产生引力波的中子星相撞事件在同一时间出现,帮助科学家定位了信号源,但还不仅如此。这首次意味着,电磁辐射(我们经常说到的一种光线,从X射线、紫外线,到可见光、红外线)和引力波都能用来观察天体。因此,“多波段天文学”已不再是天文学的最终目标,我们现在已经进入“多信使天文学”时代。

但是天文学家没有止步于发现伽马射线。全球天文学界都快速行动起来,尝试探测中子星相撞后很久就会消失的余波。不过,来自费米国立加速器实验室和美国布兰迪斯大学的玛塞尔·苏亚雷斯—桑托斯(Marcelle Soares-Santos)称这一尝试如同大海捞针,而且针在越变越小,直至消失,大海也在不断流动。

斯沃普超新星搜索团队正面临这一挑战。在使用LIGO探测的12小时期间,他们发现,在LIGO、VIRGO和费尔米望远镜识别到的一个相关区域中,有一个星系在发出明亮的可见光,之前可不存在这一现象。在被称作NGC 4993星系发现的千新星事件是由两个中子星合并产生的首个可视性爆炸事件。仅在一小时内,科学家就发现了六种不同的强烈的可见光,其重要性和引力波相当。

在接下来几天至几周,全球70多架望远镜,包括七架位于太空之中的天文台和分别位于世界七大洲(甚至包括南极洲)上的七架望远镜,都得以探测到该光源发出的可见光、X射线、红外线和无线电波。

大卫·雷兹(David Reitze)是LIGO的执行主任,他将探测到多种信号称为“从无声电影时代来到了有声电影时代”。LIGO代理发言人劳拉·卡尔博纳蒂(Laura Cardonati)称,发现其他各种电磁波和引力波就像人身置维苏威火山爆发的3D电影之中,而之前他们只能从黑白照片观察这一场景。维姬·卡罗格拉(Vicky Kalogera)是LIGO团队的一名天体物理学家,她首次总结称:“我们能听到两颗中子星陷入死亡漩涡的声音,能看到它们最终合并时迸发出的烟火。”

4.引力波的发现帮助我们进一步验证了爱因斯坦的理论。

爱因斯坦不仅预言了引力波的存在,还预言了引力波与电磁辐射的传播速度相等,即在以光速传播。在LIGO和VIRGO探测到引力波后,FERMI与INTEGRAL又探测到了伽马射线暴,其持续时间不足两秒。两种辐射到抵达望远镜视野所需的时间相似,而这一巧合有力地证明了它们的确在以相同速度传播。中子星合并发出的信号持续时间比黑洞合并的长,也可能为广义相对论提供了更多确凿的证据。

5.中子星合并事件为重金属来源这一谜题带来了答案。

尽管元素周期表上的所有元素看似地位相同,但事实上,比铁更重的元素实则有一段不为人知的历史。轻元素在形成如氧或碳之类较重的轻元素时,会产生能量,但要形成如金子、铝、铀之类更重的元素时,则需要能量。有些元素需要消耗大量能量才能形成,而这一过程必有外力相助,因此有一个长期存在的疑问:这些元素是如何形成的?

天文学家预言,如像超新星爆炸或中子星合并引发的剧烈碰撞可粉碎原子,从而产生这些重元素。然而,LIGO和VIRGO探测到中子星合并之前,天文学家还没能在任何天文事件中观察到过重元素形成的直接标志。实际上,哈佛大学天文学教授埃多·伯杰(Edo Berger)称,中子星合并产生的所有重元素总质量为地球的近16 000倍,光是黄金和铝的质量就为地球质量的10倍。这是数不尽的金银财宝啊!

6.要是中子星合并晚九天发生,我们可能会错过。

NGC 4993星系的这两颗中子星最终合并、毁灭,花费了110亿年,为让一颗遥远的星球——地球——上的天文学家们走上了一条激动人心的发现之旅。探测到这一事件的时间为8月14日,九天后,LIGO便暂停使用,在接下来一年里进行升级。也即,两颗中子星相互围绕运转了110亿年,如果它们的最终合并时间为九天之后,LIGO就会完全错过这一事件。

和该振奋人心的新科学发现一道而来的,还有LIGO新提出的更多问题:两颗中子星合并后会留下什么?是黑洞吗?还是又一颗中子星?我们在今后能遇到更多此类事件吗?

美国国家科学基金会主任弗郎士·科尔多瓦(France Cordova)表示,这一准备了几十年的跨国合作,是我们“要跨越自身知识局限的这份勇气”的绝佳证明。雷兹表示,有了美国国家科学基金会“上世纪80年代(创建LIGO时)理性的‘放手一搏’,我们才能在今天击出一支全垒打”。

原文链接:http://www.toutiao.com/a7012415352978489864

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