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引力波大發現:雙中子星合併撞開宇宙起源新大門


2017年11月08日04時 今日科學 環球網
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環球網科技 記者 林迪昨晚(10月16日),「時空漣漪」震撼了整個天文界,而對於「從小懷有科學家夢想」的普通網友來講,中子星合併產生的引力波,除了開啟「宇宙起源」的新窗口外,還解開了宇宙中「巨型黃金製造廠」之謎。

圖:模擬雙中子星合併,扭曲的時空網象徵著爆炸發出的引力波

北京時間10月16日22時(美國東部時間10月16日10時),美國國家科學基金會召開新聞發布會,宣布醞釀一天的「天文大發現」——美國雷射干涉引力波天文台(LIGO)和歐洲室女座引力波天文台(Virgo)於2017年8月17日首次直接探測到了由雙中子星併合產生的引力波(「時空漣漪」)及其伴隨的電磁信號。

(註:引力波:黑洞等極端天體物理過程中引力場急劇變化引起的時空扭曲)

據悉,本次引力波事件GW 170817是人類首次直接探測到由兩顆中子星併合產生的新型引力波事件(區別於以往發現的雙黑洞併合),發生在距離地球1.3億光年之外的編號為NGC 4993的星系中。

久違的宇宙:全世界天文學家集體沸騰的嗨點在哪?

第一,首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·哈里表示,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,觀測兩個中子星合併與觀測兩個原子核合併「並沒有什麼不同」,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。

第二,不得不提的是,引力波是1916年愛因斯坦建立廣義相對論後的預言。這次引力波的發現驗證了廣義相對論最後一個未被實驗直接檢測的預言。

第三,首次同時觀測到來自同一個天文事件的引力波和電磁波。引力波的探測被稱為一個「令人激動的里程碑」——「多信使天文學」,因為它使人類在探測宇宙起源和仰望星空的的征程中有了聯合起來的「絕佳錨點」,人類開啟了觀測宇宙的一扇新窗——引力波天文學。

「這是第一次我們既能『看到』也能『聽到』的天文事件」哈里說,「引力波天文學才剛剛開始,隨著21世紀科技向前發展,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。」

最後,首次提供確鑿證據證實中子星合併就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源,而之前天文學家只是推測。

厲害了:未來「天文大發現」或由中國科學家主導發布

我國天文學家與LIGO、Virgo科學合作組,及全球各主要天文台同步發布重大天文發現——2017年10月16日22點,南京紫金山天文台對外發布,中國南極巡天望遠鏡追蹤探測到首例引力波事件光學信號。除此之外,南極巡天望遠鏡,我國的第一顆空間X射線天文衛星——「慧眼」望遠鏡在這次引力波事件發生時成功監測了引力波源所在的天區,為全面理解該引力波事件和電磁對應體的物理機製做出了重要貢獻。

引力波事件發生時,全球僅有4台X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到爆發天區,今年6月15日發射升空的,並處於試運行階段的我國「慧眼」空間天文望遠鏡便是其中之一。

對此,中科院高能所粒子天體物理重點實驗室熊少林指出,我國「慧眼」在這四台望遠鏡里的有效面積和時間解析度是最高的。所以,「慧眼」的觀測數據非常重要,是無可替代的。

因為,科學家之前普遍預計,這次雙中子星併合產生的引力波閃將極為明亮,但實際上卻十分暗弱,特別是在百萬電子伏特高能區的輻射更為微弱,我國的「慧眼」望遠鏡憑藉強大的探測性能,對該引力波閃在百萬電子伏特高能區的輻射性質給出了嚴格的上限。

熊少林表示:「如果我們不去做這個觀測的話,那你就不知道它在這個能段的輻射性質是什麼。我們去做了觀測,我們就知道,它在這個能段有沒有輻射,也就是說我們給了它一個輻射的上限,這是非常重要的。」

另外,本次引力波事件也和中國即將開展的引力波探測計劃密切相關——中國天文學家們正在緊張地開展工作,計劃在太空實現「空間太極計劃」「天琴計劃」,在西藏實現「阿里實驗計劃」,聆聽其他來源的引力波。業內人士表示,我們期待未來的「科學大新聞」由中國科學家主導發布。

網友腦洞大開:鑽石戒指要讓位於金戒指?

消息一經發出,贏得網友的極大關注,紛紛留言,「求知慾讓我點開文章,知識儲備證明我看不懂」「竟跟著熱血沸騰」「有生之年還能看到」「你脖子上的金鍊子是從這來的」「小時候我們都想當科學家」「都是漢字竟看不懂,依然不明覺厲」「我什麼時候可以實現時空穿越?」……

據中科院報導稱,中國科學家獲得的數據和全球其他天文台的觀測結果一起揭示了此次雙中子星併合拋射出1 %量級太陽質量(超過3000 個地球質量)的物質,這些物質以0.3倍的光速被拋到星際空間,拋射過程中部分物質發生核合成,形成比鐵還重的元素。因此,這次引力波光學對應體的發現,證實了雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素(金、銀)的起源。

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,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。

中國紫金山天文台副研究員金志平表示,通過對此次引力波光學信號的觀測和光譜分析,首次提供確鑿證據證實,中子星合併是宇宙中金、銀等元素的主要起源,可以說,這解開了宇宙中「巨型黃金製造廠」之謎。

一位網友感嘆道:很多東西從科學的角度想都非常浪漫,小小的一枚金戒指是幾億年前兩顆巨大的星星相互碰撞後,經歷了遙遠的難以想像的空間,最終落在你手上,這是微如蜉蝣般的我們同一顆星星間的緣分。只要火山爆發就可以形成鑽石,而要中子星互撞才能形成黃金,從這個角度講,黃金才代表永恆。

南非夸祖盧-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲在發給記者的電子郵件中開玩笑說:「如果有人問戴金戒指的女性朋友,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。」

這麼多金子下來,未來真的要「視金錢如糞土」?科學驗證,這真的是想多了——據悉,中子星併合後,千新星是併合後產生的金銀等放射性物質形成,而千新星扔碎塊的速度大概是光速的0.1-0.3倍,就意味著這次的千新星扔出的金子就算有幾塊對準了地球,飛過來也需要大概5億年。

附:

LIGO和VIRGO指的是?

LIG,雷射干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,縮寫為LIGO)是美國分別在路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德建造的兩個引力波探測器。兩者都是用來尋找宇宙中的引力波,從而可以驗證黑洞的存在和檢驗廣義相對論。

VIRGO,處女座,指的是義大利比薩的處女座引力波探測器。

引力波是什麼?

是黑洞等極端天體物理過程中引力場急劇變化,產生時空擾動並向外傳播,人們形象地稱之為「時空漣漪」。是時空扭曲帶來的現象,就像石頭被扔進水中所產生的波紋。

引力波探測歷程——

資料顯示,美國科學家2014年3月17日首次直接探測到宇宙大爆炸第一波震盪,即原始引力波。

然後,自從2015年9月14日LIGO首先發現雙黑洞併合產生的引力波事件以來,已經探測到4例引力波事件,包括這次宣布的LIGO和Virgo聯合探測的雙中子星併合引力波事件。4次引力波信號均來自雙黑洞併合。

第一次:LIGO的科學家在2015年9月14日首次探測到了引力波,並於2016年2月11日發布,這是物理和天文學的一個里程碑,它證實了愛因斯坦1915年發表的廣義相對論中的一個重大預測,標誌著引力波天文學領域的開始。

最近一次:2017年9月27日,美國和歐洲兩個引力波項目組(LIGO和VIRGO)在義大利都靈召開新聞發布會稱,兩個項目組的3台干涉儀首次共同探測到了「時空漣漪」,不僅再次驗證了廣義相對論,還更準確地定位了產生引力波的黑洞位置。

剛剛過去的10月3日,3名科學家憑藉為LIGO探測器建設和發現引力波所作貢獻一舉奪得2017年諾貝爾物理學獎。授予Rainer Weiss,Barry C. Barish和Kip S. Thorne,以表彰他們在引力波研究方面的貢獻。


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