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從提出理論模型到南極天文觀測,中國助推天文學進入全新時代

11月
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2017

2017年11月10日15時 今日科學 文匯網

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▲歐洲南方天文台16日在德國慕尼黑舉行新聞發布會,宣布科學家們首次探測到雙中子星合併產生的引力波及其電磁信號,「多信使天文學」從此迎來全新時代,其中中國科學家起了重要作用(東方IC)

多國科學家16日同時宣布,人類第一次直接探測到來自雙中子星合併產生的引力波以及伴隨的電磁信號,「多信使天文學」從此迎來全新時代。

在這一國際合作探索過程中,中國不是旁觀者。從最早參與提出理論模型到南極天文觀測,中國科學家正在成為前沿科學探索的生力軍。

中國科學家最早參與提出理論預言

美國《現代物理評論》1957年刊載的恆星物理學「地標性」論文提出,伴隨溫度逐漸升高,恆星內部會先後發生氫核聚變、氦聚變等現象,並生成多種元素。到恆星的風燭殘年,其內部會生成鐵質核心。而在演化末期,會發生超新星爆發,並產生中子星和重金屬。

儘管天文學界已在20世紀末對雙中子星合併議論紛紛,普遍認為合併過程會拋射一些物質出來,這些物質以亞光速向外運動。但除了引力波輻射,人們對合併過程會產生什麼樣的天文學現象並不十分清楚。

當時正就讀於美國普林斯頓大學的年輕中國學生李立新在1998年與波蘭天體物理學家博格丹·帕琴斯基率先合作提出中子星合併模型,並推導出相關電磁輻射的解析公式。此後,世界各國科學家不斷完善和豐富這一模型。

對於人類首次直接探測到來自雙中子星合併產生的引力波以及伴隨的電磁信號的消息,現在在北京大學工作的天體物理學家李立新感到很欣慰,「但這仍不能被稱為對模型的最終佐證,我們還需要更多起碼這樣水準的探測結果」。

中國望遠鏡承載國際厚望

美國「雷射干涉引力波天文台」(LIGO)於8月17日捕捉到編號為GW170817的引力波信號後,全世界的望遠鏡都爭相對準了1.3億光年外的源頭。設在世界各地的傳統望遠鏡從伽馬射線、X光、可見光、紅外和射電波等波段分別觀測,最終確認這一信號來自何方。

「雖然在這一事件中,全球天文台都開展了觀測活動,但是,在半年都是黑夜的南極,中國天文台顯然具有更佳觀測條件,更適合承擔這類挑戰性任務。」曾與新科諾貝爾物理學獎得主巴里·巴里什共同執掌LIGO項目的加里·桑德斯16日接受新華社記者採訪時說。

探測到引力波源信號約1天後,中國在南極冰穹A地區安裝的有效觀測口徑為50厘米的南極巡天望遠鏡就自動開始觀測這個目標源,最終得到了目標天體的光變曲線,與理論預言高度吻合。澳大利亞天體物理學家、前美國國家光學天文台台長傑雷米·莫爾德說:「感謝中國南極望遠鏡的探測,正是其探測結果讓我們距離揭開雙中子星進化之謎又近了一步。」

電磁波的餘暉轉瞬即逝。「許多天文台都需要等到另一個夜晚才能開始觀測,而中國的南極觀測就完全不同。」現任國際大型合作項目30米望遠鏡項目經理的桑德斯告訴記者。

中國成為前沿天文探索生力軍

儘管中子星在宇宙中很常見,但中子星合併不算特別常見的現象,探測到這一宇宙現象並不容易。依照莫爾德的說法,中子星合併現象的發生次數約為中子星數量的10%。

「中國在南極安裝的望遠鏡,不僅可以快速捕捉到信號,還具有測量的能力,」桑德斯對記者說,「這是一項激動人心的成就,它同時證明,中國在南極安裝望遠鏡頗具成效,是值得的。」

在南極,目前只有中國在冰穹A地區和歐洲在冰穹C地區安裝瞭望遠鏡。迄今,由中國國家天文台南極組自主研發的南極巡天望遠鏡運控系統已成功運行幾年,實現了真正無人值守條件下帶有指向跟蹤的望遠鏡全自動運行。

「中國有能力對南天發生的天文事件開展觀測,特別是基於南極的天文觀測。中國科學家開展了完整的科學分析,從能量衰變角度,支持了雙中子星合併引力波電磁對應體的重大天文發現,」中國國家天文台副台長薛隨建說,「我們曾經擔心自己仍會是局外旁觀者,但在這次劃時代的天文事件中,中國科學家的貢獻可圈可點。」

今年早些時候,中國宣布將在南極冰穹A地區再安裝兩台望遠鏡,一是2.5米崑崙暗宇宙巡天望遠鏡,二是5米冰穹A太赫茲探測器,旨在打開地球上獨一無二的天文觀測新窗口。


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