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双中子星并合:人类首次“看到”引力波

中国南极巡天望远镜和慧眼望远镜深度参与
来源:科技日报 作者:聂翠蓉、张晔、李大庆 2017-10-17 09:59:11
内容摘要: 北京时间2017年10月16日22时,美国国家科学基金会召开新闻发布会,宣布激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件,国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。

双中子星并合过程示意图。图片来源:NASA官网

我国第2台南极巡天望远镜 AST3-2,在8月18日观测窗口期内观测到引力波光学信号(红色方框内)。


慧眼望远镜示意图。

  美国时间16日10时(北京时间16日22时),美国国家自然科学基金会召开媒体见面会,邀请美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲处女座(Virgo)引力波探测器以及世界各地70多家天文台的科学家代表,共同宣布人类首次探测到来自双中子星并合的新型引力波,并“看到”这次并合事件发出的电磁信号。

  探测到中子星并合的引力波信号及光学对应物,早在8月份就已经传言四起。这次发布会确认,美国东部时间8月17日8时41分,LIGO捕捉到这一引力波信号GW170817,由距离地球1.3亿光年的长蛇座NGC4993星系内两个中子星并合产生。随后,美国国家航空航天局(NASA)的费米伽马射线望远镜在发现引力波信号的NGC4993星系内,探测到一个持续时间大约2秒的短伽马暴(编号为GRB170817A)。随后包括欧洲南方天文台(ESO)甚大望远镜、哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台以及阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列等全球数十家天文台两天内对准NGC4993星系,共同观测到了这次双中子星并合事件。

  LIGO团组的科学家们最近刚因在引力波研究方面的成就获得了2017年诺贝尔物理学奖。2015年9月14日,LIGO研究团队首次探测到引力波,并在2016年2月份对外发布了相关结果。自那以后,研究人员又陆续确认了三次引力波事件,最近的一次信号首次由LIGO以及Virgo共同探测。这四次引力波信号都是源自宇宙深处两个黑洞并合产生,不会发射电磁波,而天文学家们一直在期待另一种形式的引力波事件——双中子星并合,因为这种并合产生的引力波会伴随电磁波等发光信号,从而可以被传统望远镜直接探测到。所以每次LIGO发现引力波信号,许多天文学家会利用望远镜跟进观测,希望成为发现电磁波小亮点的“第一个吃螃蟹者”。

  根据现有理论,黑洞或中子星与中子星并合后,至少会产生引力波、千新星、千新星射电辐射、短伽马暴和短伽马暴余辉这五类信号,其中千新星是并合后产生的金银等放射性物质形成,其在衰变中会释放大量高能射电辐射,而短伽马暴以及包括X射线、射电等多波段辐射在内的短伽马暴余辉,则是由另一部分物质在黑洞周围形成的“黑洞—吸积盘”系统,与星际物质相互作用形成。

  中国南极巡天望远镜

  探测到引力波首例光学信号


  中国科学院南京紫金山天文台16日22时发布重大消息称:中国南极巡天望远镜追踪探测到引力波事件的首例光学信号,并证实双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素(金、银)的起源地。

  自北京时间2017年8月18日21时10分起(即距离引力波事件发生24小时后),中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2对GW170817开展了有效的观测,此次观测持续到8月28日,期间获得了大量的重要数据,并探测到此次引力波事件的光学信号。这些数据揭示了此次双中子星并合抛射出约1%太阳质量(超过3000个地球质量)的物质,这些物质以0.3倍的光速被抛到星际空间,抛射过程中部分物质核合成,形成比铁还重的元素。因此,这次引力波的发现,证实了双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素(金、银)的起源地。而过去,我们仅知道宇宙大爆炸产生了氢、氦等元素,大质量恒星爆发产生铁等元素,而对其他重铁元素究竟是怎么来的则一无所知,这也就意味着我们人类在探测未知世界的路上更近了一步。

  中国科学院紫金山天文台研究员吴雪峰表示,AST3-2在南极地区观测双中子星并合产生的引力波事件有极大的便利,不仅地面干扰较小,且连续观测时间更长。而在南极地区的所有天文望远镜中,仅有我国AST3-2观测到引力波事件的光学信号,其他均未观测到。

  AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜。其有效通光口径50厘米,是南极现有最大的光学望远镜,并且完全实现了极端环境下的无人值守全自动观测。目前,AST3-2主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文研究。

  中国慧眼望远镜

  参与监测引力波电磁对应体

  我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜,在双中子星并合产生引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区。对其伽马射线电磁对应体(简称引力波闪)在高能区(MeV,百万电子伏特)的辐射性质给出了严格的限制,为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制作出了重要贡献。

  因为该引力波事件具有极为重要的意义,天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测,形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。然而,引力波事件发生时仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,慧眼望远镜便是其中之一。

  在这些望远镜中,慧眼在0.2—5MeV能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好,因此对引力波闪(即编号为GRB170817A的伽马射线暴)的MeV能区的伽马射线辐射的探测能力最强。虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离(40Mpc,约1.3亿光年)的双中子星并合产生的引力波闪将极为明亮,但本次引力波事件产生的引力波闪出乎意料地暗弱,特别是在MeV能区的辐射十分微弱,导致没有望远镜(包括慧眼在内)在这个能区探测到引力波闪。慧眼望远镜凭借强大的探测性能,对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限。

  值得注意的是,慧眼望远镜本来的设计目标是探测黑洞和中子星等银河系内的X射线天体,研究极端引力场条件下的物理规律。项目组通过对慧眼望远镜辅助探测器的创新性使用,获得了额外的探测伽马暴及引力波电磁对应体的能力,使其成为国际上正在运行的最重要的伽马射线暴监测设备之一,大大扩展了望远镜的科学产出。

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