科學也可以如此靠近

人類首次「看見」引力波意味著什麼?


2017年11月07日05時 今日科學 新華網
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新華社北京10月16日電 國際天文界再次被引力波刷屏。多國科學家16日宣布,人類首次直接探測到雙中子星合併產生的引力波及其伴隨的電磁信號。中子星引力波怎麼探測?引力波解答了哪些疑問?還有哪些未解之謎?「中國網事」記者就此採訪了有關科學家。

引力波怎麼探測

北京時間16日晚22時,包括我國在內的多國科學家宣布,人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波,並同時「看到」由這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。

據科學家介紹,2017年8月17日,美國雷射干涉引力波天文台(LIGO)發現一個新的引力波信號GW170817。這個信號是一個由雙中子星合併產生的引力波。全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、X光、紫外和射電波等多個波段開展後續觀測。這其中,也包括中國架設在崑崙站的南極巡天望遠鏡AST3-2。

↑10月16日,全球多國科學家同步舉行新聞發布會,宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波,並同時「看到」這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。這張由美國國家科學基金會、美國「雷射干涉引力波天文台」、索諾瑪州立大學和A.Simonnet提供的效果圖顯示的是兩個合併中的中子星。新華社發

僅僅在LIGO觀測到引力波信號後的1.7秒,美國費米太空望遠鏡探測到名為GRB170817A的伽馬射線暴。「費米幾乎在同一時間觀測到伽馬射線暴,讓我們更加興奮,也更有緊迫感。」加州理工學院LIGO數據分析小組負責人艾倫·溫斯坦教授回憶說。

LIGO和費米在遇到強信號時,會自動向天文界發送警報。這是一場與時間的賽跑,世界範圍內的望遠鏡後續觀測隨即啟動。大約11個小時後,位於智利的斯沃普望遠鏡率先觀測到此次信號的光學對應物——位於一個叫NGC4993星系的雙中子星系統。

基於AST3-2獨立收集到的數據,科研人員還計算出,此次兩顆緻密中子星合併的過程共拋射出超過3000倍地球質量的物質,這些物質攜帶有巨大能量,拋射速度達到0.3倍光速。

引力波也被稱為「時空的漣漪」。1916年,愛因斯坦基於廣義相對論預言,劇烈的天體活動會帶動周圍的時空一起波動,這就是引力波的由來。此後百年間,科學界一直在尋找引力波的存在。此前,人類已經發現4例由雙黑洞合併產生的引力波。

何以震驚天文學界

為什麼中子星引力波引起天文界震動?專家們說,主要原因有三個。

首先,這是人類第一次探測到雙中子星合併。LIGO項目組成員、美利堅大學天體物理學家格雷戈里·哈里告訴記者,此前觀測到的引力波均來自黑洞。黑洞完全由扭曲時空構成,本質上沒有物質,而中子星卻是一個切實星體,因此能深入了解核物質的行為。

哈里說,中子星引力波可以用來直接測量到源的距離,而相應的電磁信號給出了速度,由此可用來校準宇宙膨脹速度,即所謂哈勃常數,從而進一步回答宇宙從哪裡來、又往哪裡去等重大問題。

其次,這是人類第一次同時觀測到來自同一個天文事件的引力波和電磁波,使得確認宿主星系成為可能。這一事件展示了引力波與電磁波等不同研究團隊之間開展合作的重要性,也標誌著「多信使天文學」跨入新時代。

「我想說的是,這是第一次我們既能『看到』也能『聽到』一個天文事件,這些不同的『感官』體驗將能給我們很多信息。」哈里說,「引力波天文學才剛剛開始,隨著21世紀向前發展,我們可以期待引力波觀測將為宇宙學、天文學、天體物理學、核物理學和引力學以及其他領域帶來更多見解。」

第三,地面紅外望遠鏡探測到了中子俘獲過程,從而第一次提供確鑿證據證實了中子星合併就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源地。

南非夸祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲在發給記者的一份電子郵件中開玩笑說:「如果有人問帶著金戒指的女性朋友,她的金戒指從哪兒來?她應該說,這是從銀河系中的合併中子星那裡產生的。」

還有哪些未解之謎

本次LIGO項目組宣布發現的引力波,來自距地球約1.3億光年處的雙中子星合併。與黑洞合併只產生引力波不同的是,中子星合併除了產生引力波外,還發出了大量的電磁波。

這就是讓天文學家感到興奮的「多信使天文學」。引力波和電磁波作為不同的「信使」,可以告訴我們同一個天文事件在不同方面的信息。美國田納西大學天體物理學教授麥可·吉德里說,「多信使天文學」是天文學家長期追求的「聖杯」,將對相關領域的未來產生巨大影響。

哈里說,如果沒有引力波研究,中子星的許多性質都將是長期懸而未解的謎,包括在強引力作用下怎麼彎曲變形、合併時將會發生什麼情況、質量多大時會形成黑洞等等。

「GW170817不能回答所有這些問題,但它給我們提供了以前沒有的信息,並且表明引力波觀測是解答這些問題的一個切實可行的方法。」哈里說。

他指出,迄今探測到的5次引力波信號都與愛因斯坦的廣義相對論理論完全吻合,但廣義相對論卻與量子力學不相容,因此一些觀點認為廣義相對論需要修正。諸如GW170817等事件是少數能在引力極限情況下驗證廣義相對論的辦法之一。「我們還有可能觀測到更強、更清晰的信號,那也許能向我們展示愛因斯坦引力理論所不能解釋的東西。」

具體到這次事件,雙中子星合併之後變成了什麼,依然沒有答案。科學家列出了兩種可能性,一種是變成了非常大質量的中子星,另一種是變成了黑洞。但不管是什麼,它的質量大約相當於2.74個太陽。(記者:林小春、王珏玢、彭茜、蔣芳、黃堃)


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