科學也可以如此靠近

70台望遠鏡「合力」 引力波以後可能天天都見


2017年11月10日10時 今日科學 cnBeta
cnBeta摘要:

100多年前,愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在;今天,中國和世界科學界一起,站在了引力波觀測的前列。北京時間10月16日晚上10點,美國國家科學基金會、歐洲南方天文台、中國中科院紫金山天文台等機構同步召開新聞發布會,宣布第一次同時「聽到」和「看到」來自雙中子星併合的一次引力波事件。

美國「雷射干涉引力波天文台」(LIGO)執行主任戴維·賴茨幾乎是一字一頓地宣布,人類——第一次——「看到」了兩顆中子星碰撞發出的引力波和光。

雙中子星即將碰撞時的神奇景象。(圖片來源:NASA)

就在10月3日,因為發起並領導LIGO項目,並因將理論及實驗物理學應用於宇宙研究領域做出的貢獻,三位科學家榮膺2017年諾貝爾物理學獎。

「此次雙中子星併合發生在8月17日,科學家已經找到了雙子星碰撞引力波及其光學對應體,這個問題應該大功告成了。」早在10月3日諾貝爾物理學獎揭曉前,中國科學院紫金山天文台副台長常進告訴第一財經記者。

距離8月17日引力波事件發生24小時後,中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊在中國南極崑崙站開展了有效的觀測,並探測到此次引力波事件的光學信號。

紫金山天文台研究員、南極巡天望遠鏡負責人王立帆向第一財經表示,全球科學在引力波觀測上的合作,改變了傳統天文研究「單兵作戰」的模式,讓整個項目成為了全球聯合的「大科學項目」。

以後可能每天都有新發現

這次發現是由美國的LIGO和歐洲的室女座干涉儀(Virgo)引力波探測器,以及包括紫金山天文台在內的70個地面和空間望遠鏡共同完成的。

8月17日北京時間20時41分04秒,由雙中子星併合產生的引力波被觀測到;在隨後的2秒鐘之內,美國國家航空航天局(NASA)的費米(Fermi)伽馬射線衛星和歐洲Integral衛星都探測到了一個極其微弱的短時標伽馬暴(即引力波)。之後的數小時至十幾天裡,全球十幾台天文設備對被命名為GW 170817的此次引力波事件開展觀測。

清華大學信息技術研究院LIGO科學合作工作組是此次中國唯一參與觀測引力波的團隊。自2009年成為LIGO科學合作組織正式成員以來,清華大學LIGO團隊參與了迄今為止的所有引力波的發現。

清華大學信息技術研究院曹軍威、范錫龍和計算機系都志輝向第一財經記者介紹,工作組近兩年來在引力波實時在線數據處理和多信使天文學方面展開了算法設計、性能優化與軟體開發等方面的工作。

據透露,清華大學LIGO科學合作工作組的主要研究工作包括:構建了「利用已知脈衝星群組性質探測連續引力波」的方法,並利用該方法搜索信號;完善「貝葉斯多信使天文學框架」,並且用該框架研究引力波;進一步優化了GPU加速在線緻密雙星併合信號搜尋程序流水線;探索深度學習在引力波實施數據分析中的應用等。

曹軍威在清華大學的引力波發布會上對第一財經記者表示:「我們所做的工作是引力波上千人團隊中的很小一部分。但目前這些工作得到了國家自然科學基金委員會和清華大學自主科研計劃的資助。」

他還說,近年來,清華大學LIGO工作組積極參與引力波國際合作研究,與美國麻省理工學院、加利福尼亞理工學院、西澳大利亞大學、英國格拉斯哥大學等密切合作,積極參與國際第三代引力波探測器的研討。

曹軍威向第一財經記者透露,未來引力波探測器的靈敏度會更高。他表示,至此,引力波探測器的第二次科學運行已於8月25日結束,第三次科學運行的啟動要等到明年8月左右。這期間科學家將對引力波的探測設備再做升級,因此靈敏度會更高,大約提高8倍。

「原來每年只能觀測到幾次信號,以後可能每個月或者每天都能觀測到幾次。」曹軍威對第一財經記者表示,「到時候會產生大量的數據,數據的分析處理是否能夠跟上要求會是一個大的挑戰。」

人類開啟了引力波天文學和多信使天文學的時代,使得未來讓人期待。據曹軍威介紹,這次引力波事件中,科學家還探測到了一些尚未發布的內容,將會在證據確鑿後逐一公布。

來自中國的「慧眼」

在此次引力波事件的觀測中,中國科學家也躋身前列,不僅包括一直在進行積極探測引力波的清華大學LIGO工作組,中國的三大觀測「利器」亦參與其中,它們分別是南極巡天望遠鏡、剛剛發射運行的中科院「慧眼」天文衛星和紫金山天文台。

自北京時間8月18日21時起,中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊就利用正在中國南極崑崙站運行的第二台望遠鏡對GW 170817開展觀測,一直持續到8月28日,其間獲得了大量的數據,並探測到了引力波事件的光學信號。

「本來巡天望遠鏡的觀測都快結束了,因為地平線已經非常低,不是最佳觀測角度了,但我們還是探測到了這次引力波的光學信號,而且我們提供的數據也是很有用的。」王立帆告訴第一財經記者。

他對第一財經記者說:「以前天文學家是孤獨的,沒有『大同』,現在成立上千人的項目,這種方式對現代天文學的研究有重要的意義。」

王立帆還介紹說,巡天光學望遠鏡的觀測內容非常廣泛,今年最重要的科學目標和項目是觀測太陽系外的類地行星,但目前還在研究階段。

邁入多信使天文學時代

人類歷史上第一次使用引力波天文台和其他望遠鏡同時觀測到了同一個天體物理事件,意義非凡

。「科學家們發現了期待中的電磁對應體,標誌著多信使天文學的開端,生逢這個時代真是無比幸運,但這一切都還只是開始。」上海天文台副台長沈志強對第一財經記者表示。

什麼是多信使天文學?打個比方,這就是宇宙級的「盲人摸象」。隨著科學的發展,人們逐漸認識到在可見光之外,宇宙中還存在X射線、無線電波等看不見的電磁波。通過探測它們,可以觸摸到宇宙這隻「大象」的另外一些方面。

GW 170817的警報發布時,其空間位置正對著澳大利亞的上方,但是南非和智利的望遠鏡也同時在觀測。GW 170817被觀測到之後的10小時52分,Swope望遠鏡在編號為NGC 4993的長蛇座星系中觀測到明亮的可見光源,這是一顆衰變的富中子物質產生的明亮的千新星,並形成了金和鉑等重金屬元素。科學家由此確定了GW 170817引力波事件發生在距離地球1.3億光年之外。

引力波和電磁波來自於兩種不同的機制,而現在引力波和電磁波鎖定了同一片天空區域,將不同的觀測聯繫到了一起。引力波天文學為理解中子星的性質提供了電磁天文學本身所不能實現的新機會。

「已知」中蘊含「未知」

不過,「已知世界」中蘊含著更多的未知。曹軍威舉例稱,在此次的引力波事件中就至少蘊含著兩個未知事件,科學家仍然無法通過現有數據對其進行判斷:其一,此次引力波究竟是兩個中子星的併合還是一個中子星和一個黑洞的併合其實是不得而知的,只是根據已知的中子星的質量來推斷,科學家偏向於認為是兩個中子星的併合;其二,是兩個中子星併合後的星到底是什麼星。

英國格拉斯哥大學LIGO科學合作組織成員王毅熊(IkSiongHeng)對第一財經記者表示:「兩個中子星併合後,有三種可能性,第一一種是併合成一個黑洞;第二種是併合成一個較大的中子星,持續一段時間後,再變成黑洞;第三種是併合成中子星,但這種可能性不大。」

王毅熊表示,對於中子星的觀測開啟了引力波天文學。它所暗含的意思是,只要根據一個信號就可以知道中子星併合的頻率。人類每年可以看到320~4270個中子星併合事件。

「電磁波可以告訴我們中子星併合之後會發生什麼,而引力波可以探尋本質,告訴我們中子星併合本身的核心問題。」王毅熊告訴第一財經記者。

哈勃望遠鏡觀測到的中子星併合的光逐漸減弱。

LIGO科學合作組織成員、德國馬克斯-普朗克研究所(Max Plank Institutes)博士後張淵皞對第一財經記者表示:「LIGO現在還在升級,未來精度會更高,還會找到更多類似的引力波,並找到暫時還沒有發現的信號,比如尋找連續引力波、超新星爆炸,乃至於隨機背景和其他不確定形式的引力波。」

張淵皞還告訴第一財經記者,隨著越來越多的信號被發現,它們可以用來對哈勃常數、星體演化做出更好的限制,而且將更好地檢驗愛因斯坦的相對論,甚至發現新的理論。

「LIGO其實就是人類的一座更加先進的天文台,讓人類以更近的方式觀察宇宙。」張淵皞對第一財經記者說。

Virgo合作組織成員、法國直線加速器實驗室(LAL Orsay)的安迪亞(Sarah Antier)認為,多信使天文學之所以能夠成為非常有前途的天文領域,是因為只有利用更多的信息,才能研究宇宙,比如天體的質量和自旋等。

他對第一財經記者表示:「中法兩國在觀測引力波方面的合作越來越緊密,全球科學家正在一起參與到引力波觀測盛宴中。」


延伸閱讀

農村常見的「野櫻桃」竟然可以降三高,快來看看是什

秘魯出土1700年乾屍 3指3趾遭疑真偽 專家認

科學家發現抗衰老的簡單有效辦法:無不良副作用

最稀奇古怪問題的答案

左右腦年齡測試?刷爆昆明人朋友圈的這個測試答案竟


熱門內容

友善連結



APP