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首个双中子星并合引力波事件被发现 中科院等国内机构捕获重要信息

文章来源:中国科学报 倪思洁 丁佳    发布时间:2017-10-16  【字号:      】

[video:20171017人类首次发现双中子星合并引力波]

  北京时间10月16日22点,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了该引力波事件的电磁对应体。

  极为重要的里程碑事件

  今年8月17日,LIGO和Virgo共同探测到的引力波事件GW 170817,是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波事件。随后几秒内,美国宇航局Fermi伽马射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽马暴GRB 170817A。全球有几十台天文设备对GW 170817开展了后随观测,确定这次的引力波事件发生在距离地球1.3亿光年之外的编号为NGC 4993的星系中。

  “本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同,它由两颗中子星并合产生。理论预言双中子星并合不仅能产生引力波,而且能产生电磁波,即引力波电磁对应体。”中科院高能所研究员熊少林说,“这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体,是引力波天文学极为重要的里程碑,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义,正式开启了多信使引力波天文学时代。”

  据了解,引力波是1916年爱因斯坦建立广义相对论后的预言。引力场在极端天体物理过程中急剧变化,产生时空扰动并向外传播,人们形象地称之为“时空涟漪”。引力波的直接探测刚获得2017年度诺贝尔物理学奖。

  “慧眼”成功监测到爆发天区

  我国第一颗空间硬X射线调制望远镜“慧眼”在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,相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中。

  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,中国的“慧眼”望远镜便是其中之一。

  在这些望远镜中,“慧眼”在0.2~5百万电子伏特(MeV)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(一个编号为GRB 170817A的伽马射线暴)MeV能区的伽马射线辐射的探测能力最强。

  “此前人们普遍预计,像本次事件这样近距离的双中子星并合产生的引力波闪将极为明亮,但本次引力波闪却出乎意料的暗弱,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。”熊少林告诉《中国科学报》记者,“但‘慧眼’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。”

  鉴于“慧眼”观测限制的重要性,中国不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文,在论文的正文部分报告了观测结果;而且,“慧眼”的详细分析结果还以独立论文的形式于10月16日同步发表在《中国科学:物理学力学天文学》杂志英文版网页。

  值得注意的是,“慧眼”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”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。

  科研人员透露,在“慧眼”望远镜的技术基础之上,中科院高能物理所还提出了专门探测引力波闪的引力波高能电磁对应体全天监测器项目,并将其命名为“闪电”。“闪电”采用针对性优化设计,不仅能够同时监测全天随机爆发的引力波闪,而且具有更低的探测阈值、更高的监测灵敏度以及更好的定位能力,对引力波闪的综合探测性能远超现有望远镜。

  目前,“闪电”的关键技术攻关以及方案设计的大部分工作已经完成。如果立即立项,可以在2020年前发射升空,从而赶上与具有最佳灵敏度的LIGO和Virgo等引力波探测器进行联合观测,获得最大的科学产出,使我国在引力波电磁对应体的探测研究上达到国际领先水平。

  “慧眼”望远镜由国家国防科技工业局和中科院联合资助建造,于2017年6月15日从酒泉卫星发射中心发射升空,开始为期5个月的试运行。参与本次引力波事件观测时,“慧眼”刚试运行两个月。试运行结束后,“慧眼”将正式进行科学观测,同时继续监测研究引力波闪。

  南极巡天望远镜获得重要数据

  与美国国家科学基金会召开新闻发布会的同一时间,中国期刊《科学通报》英文版通过国际合作方爱思唯尔的全球发布平台,同步发布由中科院紫金山天文台联合中外各个合作单位做出的最新观测结果,相关研究论文于16日晚10时上线。

  南极天文研究中心主任、中科院紫金山天文台研究员王力帆介绍,自北京时间2017年8月18日21:10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二台望远镜AST3-2,对引力波事件GW 170817开展了有效的观测,此次观测持续到8月28日,其间获得了大量重要数据,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。

  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,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。

  中国南极天文中心是由中科院紫金山天文台、中科院南京天文光学技术研究所、国家海洋局中国极地研究中心、中科院国家天文台发起和共建的研究机构,2006年12月25日在紫金山天文台正式宣告成立,如今已成为推进我国南极天文学研究和国际合作与交流的平台。

图1:“慧眼”望远镜示意图

图2:双中子星并合过程既能产生引力波,又能产生电磁波(图片来自网络)

图3:第二台南极巡天望远镜AST3-2

图4:AST3-2在8月18日观测窗口期内引力波光学信号(红色方框内)




(责任编辑:任霄鹏)

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