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探测双中子星并合产生引力波,中国做了重要工作
[ 作者:  | 点击数:222 | 更新时间:2017-10-17 | 文章录入:ddb ]

北京时间2017年10月16日晚10时,LIGO-Virgo科学合作组及全球各主要天文台同步发布重大天文学发现:首次直接探测到了由双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号——GW170817。

此次发现也标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其它望远镜同时观测到了同一个天体物理事件,开启了期待已久的多信使天文学的新窗口,引力波天文学也为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。

据悉,此次发现是由位于美国激光干涉引力波天文台(LIGO)分别位于华盛顿州的汉福德及路易斯安那州的利文斯顿的两台探测器和位于欧洲的室女座干涉仪(Virgo)引力波探测器,以及来自全球各地的70个地面及空间望远镜共同完成的。其中,南京紫金山天文台、清华大学LIGO工作组、中国科学院高能物理研究所等国内多个研究机构组成的科研合作团队也参与了此次探测。

2017年8月17日,全世界天文学界联合起来

相较于之前LIGO及Virgo已经探测到的四次来自双黑洞的引力波信号,此次发布的探测结果在很多方面都有所不同。

时间定格在2017年8月17日。

就在三天之前,LIGO-Virgo首次联合探测到了双黑洞并合所产生的引力波(GW170814),这是继Virgo在8月1日加入到合作探测之后的首次捕获。

北京时间8月17日晚8点41分零4秒,一段很强的引力波信号被定位于约2度宽15度长覆盖28平方度的一个椭圆的区域(被称为“误差椭圆”,看上去大约是一臂距离外一个香蕉的形状和大小)的一台LIGO探测器捕获,从而实时反馈到了LIGO的实时数据软件中。

不到2秒之后,美国宇航局费米空间望远镜(Fermi)的观测到了一个伽玛暴信号(GRB170817A)。

LIGO-Virgo的分析软件通过比较两信号得出结论:这不太可能只是一个巧合!另一个自动分析结果表明:另一个LIGO探测器也探测到了一致的引力波信号(GW170817A)。值得一提的是,此次的引力波信号在两个LIGO探测器的频谱中都清晰可见,但在Virgo中却不然。这恰恰是空中定位的很重要的一点。

对每个探测器而言,总有某个天空区域,来自那里的信号不容易被探测到。两个LIGO探测器中轻易可见而Virgo却观测不到的现象也意味着,此次信号来自天空中的某个位置,Virgo在那一刻刚好很难探测到那片区域。这一事实也对后续定位起到了至关重要的作用。

图1:这些图显示了GW170817信号在每个LIGO和Virgo探测器中的频谱。水平轴是时间,竖直轴是频率。双星的“啁啾”信号从左侧靠低处开始,提升至右侧的陡峭曲线。“短时噪声干扰”已经从LIGO利文斯顿探测器频谱中消减,因而并不在图中显示。

与之前已经捕获的4次引力波信号不同,此次探测到的引力波信号持续时间非常长,达100秒之久(之前的信号在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间),并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同。

以LIGO-Virgo合作组的快速引力波探测分析以及费米望远镜的伽马暴探测为起点,世界范围内的各望远镜相继启动观测。

在GW 170817发布警报的时候,其空间位置正对着澳大利亚的上方,但是南非和智利的望远镜也同时在观测。在智利黑夜的最初几个小时里,Swope望远镜在星系NGC 4993里认证出了一个光学瞬变源(SSS17a);在接下来的两个星期里,地面望远镜和太空望远镜组成的阵列从紫外、光学、近红外等波段追踪着最初的探测。

而来自中国的“慧眼”卫星也第一时间对这一起引力波事件进行了观测,守夜的科学家团队立刻进行了几乎实时的数据分析。

最终,来自全球各地的70架地面及空间望远镜探测到了许多来自这一事件的邻近NGC4993星系的衰退的光信号。一场关于这场结合使用电磁波(光学)和引力波的“多信使”观测运动徐徐展开。

为什么是双中子星系统?

1974年,马萨诸塞大学的罗素·胡尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)使用波多黎各的阿雷西博射电望远镜发现了著名的赫尔斯-泰勒(Hulse-Taylor)脉冲双星PSR 1913+16。到目前为止,射电天文学家们已经绘制了40年它的轨道曲线,显示着这两颗星体正慢慢互相旋近。在大约3亿年后,赫尔斯-泰勒脉冲双星将会并合,并产生一个类似于GW170817那样的信号。

那么,天文学家们是如何确定GW170817出自两颗中子星并合呢?

就目前已有的探测手段及能力来看,科学家们仅能探测到四种系统并合所产生的引力波:黑洞-黑洞并合、超新星不对称爆发、黑洞-中子星并合以及中子星-中子星并合。LIGO于2016年2月11日首次探测到的引力波即属于黑洞-黑洞并合系统产生的。

引力波的波源取决于系统的天体属性,每个源都会产生不同的引力波信号。重要的属性包括单个物体的质量、自旋的速度、被挤压形变的难易度、双星轨道的大小、轨道相对视线的倾角等等。所有这些属性结合起来将决定引力波信号的总体形状、强度和每一刻的变动。引力波天文学家们极尽所能测量信号中的变化,然后反推出天体源的各种属性。

然而,双黑洞并合所产生的光学对应体极少,科学家们只能通过LIGO/Virgo的激光干涉探测器探测到引力波,但是相应的光学信号,即光学对应体需要地面及空间望远镜来观测。这也是为什么今天之前,有人形容人类探测引力波处于“非聋即瞎”的阶段:我们能够“听到”(能探测到)引力波,但却看不到(可观测到)相应的光学信号。

而超新星不对称爆发所产生的光学对应体只有在它距离地球比较近时(银河系内)才能观测到。因此,选定范围仅剩黑洞-中子星并合与双中子星并合两个选项。

最终,科学家们首次利用多信使探测去确认引力波的波源。

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