超越黑洞:引力波再创辉煌!

作者: 大大

来源: 原理

发布日期: 2017-10-16

本文详细介绍了2017年引力波探测的重大发现,特别是双中子星并合事件,这是引力波天文学和传统天文学结合的里程碑。文章探讨了这一发现对理解重元素来源、短伽玛射线暴和千新星现象的重要性,以及对未来多信使天文学的深远影响。

引力波的直接探测已经拿下了2017年度的诺贝尔物理学奖,读者可阅读《跨越时空的相遇》进一步了解引力波。今天所宣布的重大发现依旧和引力波相关,但多了几个关键词:“1.3亿光年外”、“中子星并合”、“电磁对应体”。这一次的发布会,可以说是天文界的一次前所未有的狂欢宴,实现了多个第一次:第一次发现双中子星并合辐射出的引力波;第一次定位引力波的来源;第一次将引力波天文学和传统天文学结合。

此次,除了LIGO/VIRGO(激光干涉/室女座引力波天文台)外,地面和空间共70台望远镜都观测到了对应的电磁波信号。此次的发现总结如下:中子星-中子星并合辐射出的引力波(GW170817);双中子星并合产生的短伽玛射线爆(GRB170817A);发现了重元素形成的秘密,并确认了一个千新星事件(SSS17a)。

2012年,科学家在粒子加速器中首次发现了希格斯玻色子,为粒子物理学的标准模型填补了最后一块拼图。而在不久后的2015年,物理学就再次迎来了一次巅峰,激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接探测到了100年前就被爱因斯坦预言存在的引力波。当物理学笼罩在“零结果”的阴影之下时(比如对暗物质的搜寻一无所获等),引力波的进展却一次又一次给予我们许多的惊喜。

在这次的盛大发布之前,LIGO已经四次探测到来自数亿光年外的双黑洞并合辐射出的引力波事件。然而,可能谁也未曾想到,这第五次期盼已久的引力波事件来的如此之快,伴随着它一起出现的天文现象,对天文学家而言更是意外却意料之中的惊喜。

大约在1.3亿光年外的NGC4993星系中,两颗不期而遇的中子星绕着共同的中心旋转,并在互相旋绕的过程中不断地辐射出引力波。

由于引力波会带走能量,使双星的轨道慢慢缩小,公转周期也逐渐缩短。经历了约数亿年的时间,它们最终相拥在一起,并释放出更加猛烈的引力波。但故事并没有结束。双中子星并合后随即产生的便是困扰天文学家已久的短伽玛射线暴,而在接下来的几天到几个星期内,其它伴随的现象陆续释放了各种电磁波辐射,包括X-射线,紫外线、可见光、红外线和射电波。

经历了漫长岁月的光速传播,此次事件释放的引力波和电磁波信号陆续抵达地球,被地球上的三台引力波天文台以及地面和太空共70台望远镜探测到。

与前四次的引力波事件不同的是:这次的引力波来自双中子星的并合!(中子星是恒星演化的最后产物之一,非常致密,一茶勺的中子星物质就有数亿吨重。)相比双黑洞并合,双中子星并合带来了更加丰富的内容。

它们之间的区别主要体现在三方面:1. 中子星的质量更低(此次事件的中子星质量为1.1-1.6倍的太阳质量),但更大(直径约为20公里),因此它们辐射出的引力波信号的振幅也更低,但持续时间更久。前几次双黑洞并合发出的“啾鸣声”持续的时间都不到一秒,而这次双中子星并合却持续了约100秒;2. 同时,以目前LIGO/VIRGO的灵敏度,这也意味着双中子星并合发生的距离要比双黑洞并合近的多。

而这次,所有的来源都指向了距离地球1.3亿光年外的NGC4993星系中!3. 最后,不同于黑洞并合,我们也发现了双中子星并合的“电磁对应体”,即短伽玛射线暴!

这次的发现,回答了长久以来一直困扰着天文学家的一些问题:1. 元素周期表中的重元素从何而来?许多人会认为答案是来自超新星,但超新星只是故事的一部分,元素周期表中大部分最重的元素,比如金、银、铂、钨、铅、铀等,事实上都来自中子星对撞事件。

也就意味着,你身上可能戴着的金戒指就是来自数亿年前发生的此类事件中诞生的。这是中子星并合事件带给我们的最直接意义。2. 并合的中子星真的会制造“短伽玛射线暴”和“千新星”吗?在双中子星并合之后,大部分质量会直接融入到最终形成的致密天体(此次并合事件的最终产物并没有被分类为过去认为的黑洞或中子星,而是标为未分类),但有一小部分的物质被抛射出去。

其中抛出去的一部分物质会在黑洞周围形成一个“黑洞-吸积盘”系统,这个系统会在黑洞旋转的方向向外喷射物质,产生高度相对论性的喷流。喷流内部会形成能量极高但持续时间不到两秒的短伽玛射线暴。但是,伽玛射线暴具有高度的方向性,只有当它指向地球时才能被看到,这是小概率事件。

2017年8月17日,在观测到引力波之后的1.7秒,NASA的费米空间望远镜在NGC4993星系内探测到了一个持续时间为2秒的短伽玛射线暴。这是人类首次探测到引力波的电磁对应体。过去我们一直不确定究竟是什么导致了短伽玛射线暴的产生,但现在我们可以确定它们就诞生于双中子星并合后的一瞬间,解决了天体物理学中长久以来悬而未决的难题。

除了短伽玛射线暴之外,抛射出的另一部分物质则会在空间中膨胀、衰变,从而在并合的几小时到几年的时间内释放从光学到近红外,再到射电波段的余晖,这个过程类似超新星,因此被称为巨新星(macronova)。之后的进一步研究表明,它们的亮度为“新星”亮度的1000倍,因此这类现象后被称为千新星(kilonova)。

在此次引力波事件不久后,地面和空间上的光学、X射线和射电望远镜都在NGC4993星系中观测到了千新星事件(SSS17a)。

3. LIGO能看到多远之外发生的中子星并合?这个问题跟LIGO的灵敏度有关。对于光而言,如果一个物体离我们10倍远,那么观测到的亮度会是原先的百分之一;但对于引力波而言,一个10倍远的物体释放出的引力波强度是原先的十分之一。

LIGO可以观测到黑洞并合发生的距离为数十亿光年外,但只能观测到离我们较近的中子星并合。此次中子星并合事件(GW170817)使我们能够第一次定位引力波的来源:位于1.3亿光年外的星系。此次事件能够更好的帮助我们理解现在探测器的极限。

这是第一次,我们可以结合引力波天文学和传统天文学(基于电磁波的天文学)。虽然先前LIGO探测到了四次引力波事件都很震撼,但我们不可能通过望远镜去观测并合的发生。

如果是这样,我们就无法精确的通过两个探测器就定位引力波的来源。而黑洞的并合也不会产生明亮的电磁波对应物。虽然在第四次的探测中,VIRGO加入到探测行列,使我们大大的确立了引力波事件的来源。但更重要的是,中子星并合会伴随着电磁对应体,使我们第一次可以通过引力波天文学和传统天文学联手观测宇宙中的同一事件。

当然,这次发现不止以上提到的几个问题,比如通过测量NCG4993星系和地球的距离,我们甚至可以测量宇宙膨胀率,以及测量宇宙的年龄等等。至此,我们正式进入了多信使天文学时代(即通过引力波、电磁波、宇宙线、中微子中的两个或者多个进行联合观测)。毫无疑问,这是一场盛大的天文学盛宴,打开了许多新的机会,并且能让我们更加深入的研究长期以来困扰我们的那些问题。

将来随着引力波天文学的发展,我们甚至可能观测到白矮星并合产生的引力波。这是多么令人兴奋的一个新开始!

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