LIGO联合全球天文研究机构发布重大新闻:首次探测到中子星并合引力波

作者: 唐弘铭,何川

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-10-16 22:24:13

LIGO和VIRGO联合全球数十家天文机构宣布,今年8月17日捕捉到由两个中子星并合产生的引力波信号(GW170817),这是人类第五次探测到来自宇宙的引力波信号。此次事件首次证实了中子星并合与短伽玛暴的相互关系,并伴随有电磁辐射,为研究重元素的生成机制和超高密度物理提供了新的视角。

北京时间10月16日22点,LIGO(激光干涉引力波天文台)、VIRGO(“处女座”引力波探测器)联合全球数十家天文机构举办新闻发布会,共同宣布于今年8月17日捕捉到由两个质量分别为1.1和1.6个太阳质量的中子星并合所产生的引力波信号(GW170817),该双星系统位于距离我们约40兆秒差距的地方。

本次引力波探测事件与伽玛暴事件 GRB 170817A相关联,首次证实了中子星—中子星并合与短伽玛暴的相互关系。其后进行的电磁波对应体观测以及电磁谱观测,进一步证实了这是一个中子星碰撞事件。本次探测时间是人类第五次探测到来自宇宙的引力波信号。

根据理论预言,有中子星参与的致密星并合过程,除了释放引力波,还会伴随有电磁辐射。

由于人类在对宇宙的电磁波探测上有更加成熟的技术和丰富的经验,天文学家可以通过电磁波多波段的联合观测获取更多信息。本次引力波信号已经通过全球多家天文台的观测证实,发现了其电磁波对应体。在LIGO、VIRGO观测到信号后的几秒之内,美国宇航局Fermi伽玛射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽玛暴GRB 170817A。

全球有几十台天文设备对GW170817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。这就意味着,从今以后,人类对引力波的探测再也不是“盲人摸象”了。

中子星是恒星演化到末期,经由引力坍缩发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一。

在其形成过程中,恒星遭受剧烈的压缩,其组成物质中的电子并入质子转化成中子,最终成为直径只有十余公里,质量却有太阳数倍的致密星体。中子星的密度极高,每立方厘米便可重达数十亿吨。中子星的旋转速度极快,由于其磁轴和自转轴并不重合,磁场旋转时所产生的辐射可能会以“一明一灭”的方式传到地球,有如人眨眼,因而被人类所观测到,此时被称作脉冲星。

双中子星并合过程研究和引力波探测的渊源,早在几十年前就已埋下了种子。1974年,Russell Alan Hulse 和 Joseph Hooton Taylor, Jr. 利用305米口径的阿雷西伯望远镜共同发现了第一对中子星 (Neutron Star pair) PSR J1915-1606。PSR J1915-1606是一对在射电波段有周期性脉冲辐射的中子星—脉冲星。

观测结果显示,这两颗质量约为1.4太阳质量的脉冲星轨道周期约为3秒,其轨道直径有逐渐收缩的趋势。爱因斯坦的广义相对论曾预言,双脉冲星的运动如果释放引力波,将导致脉冲星到达近星点(类比于地球公转的“近日点”)的时机有些微的提前。事实上,由于引力场的存在,PSR J1915-1606在经度上平均每年将其近星点提前4度。这一发现被认为是引力波存在的间接证据。

1993年,Russell 和 Joseph 于1993年因为发现这一中子星对,且对它进行了大量后续分析被授予诺贝尔物理学奖。

中子星—中子星并合过程模拟及其对应引力波波形。从并合过程和引力波探测来说,双中子星对的并合包括旋进、碰撞、铃宕三个过程,会产生相对应的引力波波形。

在这一系列的并合过程中,大部分物质会成为新的中心天体(大部分是黑洞)的一部分,而剩下的物质要么以碎屑或千新星(亮度约为新星的1000倍)的形式被抛射开去,要么被中心黑洞吸引构成吸积盘。总的来说,这一过程可能释放引力波、产生千新星和短伽玛暴。千新星和短伽玛暴的余辉还能产生可观的电磁辐射。

“千新星”的理论最早由李立新教授和Paczyński教授在1998年提出,研究指出,致密天体(如中子星)在相互旋进与并合时,将会有近似各向同性的富中子化物质抛射,通过快中子俘获过程,这些抛射物能够合成大量重元素,而重元素的衰变则会加热抛射物,使其发出可观的可见光与近红外辐射,这种现象将如同超新星一样,但持续时间较短。这种现象被称为“李-Paczyński巨新星”。

后续的研究指出,这种现象比超新星亮度更低,但其亮度大约可达新星的1000倍,故而又被称为“千新星”。

今年是中子星发现50周年,本次引力波探测事件的发布可说是锦上添花。从科学层面考量,这一事件的探测暗示着双中子星并合事件的发生几率比此前预计得可能更为乐观。可以预见,对中子星并合事件的引力波探测和其它研究工作还将继续,并在未来获得更多令人可喜的科学成果。

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