双中子星合并 人类首次观测到爱因斯坦提出过的引力波

    |     2017年10月18日   |   国际   |     评论已关闭   |    224

双中子星合并 人类首次观测到爱因斯坦提出过的引力波
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科学家首次探测到两颗中子星相撞的声音

科学家观测到了由两颗中子星相撞而产生的空间弯曲现象。

他们确认,两颗中子星的合并产生了在宇宙当中所存在的金和铂。

由这次猛烈撞击事件产生的引力波,是在8月17日由激光干涉引力波天文台(LIGO)与室女座干涉仪(VIRGO)合作监测到的。

这一发现使全世界的天文望远镜得以观测这一次中子星合并的细节。

位于美国加州帕萨迪纳的加利福尼亚理工学院LIGO实验室执行总监大卫·莱兹(David Reitze)说:“这是我们一直在等待的那一次。”

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这一次大爆炸发生在一个被称为“NGC4993”的星系,距离长蛇座大约有一万亿亿公里远。

碰撞发生在1.3亿年前——当时恐龙仍然在地球上生活。由于距离太远,光和引力波直到最近才到达我们这里。

两颗中子星的质量比我们的太阳大10-20%——但它们的直径不过30公里。

它们是巨大星体在很久之前作为“超新星”(supernova)发生爆炸后遗留下来的内核。

它们被称作中子星,是因为星体撞击碎裂过程当中,令带电的质子以及星体原子中的带电粒子合并形成一个完全由中子组成的实体。

这些“残留物”的密度之高难以想象——一茶匙的重量就能达到10亿吨。

进行此次观测的其中一个实验室位于一个风景如画的校园里,一个喷泉池向天喷射着水柱,水又在重力的作用下呈弧线重新洒向地面,在清澈的池上溅出波纹。

在路易斯安那州利文斯顿广阔的林地里,LIGO探测仪的存在显得有点格格不入。它的设计是用于监测宇宙当中由猛烈的天体撞击产生的引力波纹。

自从两年前升级以来,它已经四次侦测到黑洞的合并。

由猛烈冲撞产生的引力波在时空当中散播出波纹,所穿过的一切都被轻微地拉伸和压缩——幅度小于一个原子的直径。

图片版权
NSF/LIGO/Sonoma State University/A.Simonnet

Image caption

效果图:中子星合并在太空中激起涟漪

利文斯顿的LIGO实验室由两座小型建筑组成,配有两根长2.5英里的管道,以恰当的角度延伸。管道当中是一个强大的镭射装置,准确地测量其长度发生的任何改变。

我和诺尔娜·罗伯森教授(Prof Norna Robertson)一起走进其中一条管道。她是苏格兰人,曾经在格拉斯哥大学工作,之后又曾帮助设计这一套设备当中的监测系统。

罗伯森教授的工作帮助了LIGO-VIRGO的科学合作项目成功侦测到由两颗中子星相撞而发射出的引力波。

“我对我们做到的事情实在是感到兴奋。我在40年前作为一个学生开始研究引力波,走过了一条很长很长的路:当中有起有落,但现在,一切都成了,”她告诉BBC说。

“过去这两年,先是监测到了黑洞的合并,现在又是中子星的合并。我真的感觉到我们正在打开一个新领域,而这就是我一直想做的,现在我们做到了。”

此次监测令70个天文望远镜有史以来第一次捕捉到这一现象的细节影像。

这些影像显示,这一次大爆炸比超新星的威力大1000倍——它被称为“千倍新星”。


引力波——时空中的波纹

双中子星合并 人类首次观测到爱因斯坦提出过的引力波
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视觉效果演示,两颗中子星合并的轨道
  • 爱因斯坦的广义相对论曾预言过引力波的存在
  • 经过数十年的努力,才发展出能够直接观测引力波的技术
  • 它们是由天体猛烈撞击所形成,相当于在宇宙时空当中产生的波纹
  • 加速的实体将产生以光速传播的波
  • 可侦测的引力波来源包括合并的黑洞和中子星
  • LIGO/VIRGO向“L”型的长管道中发射镭射光;引力波产生时会对光造成干扰
  • 侦测到这些引力波,为宇宙打开一个全新的研究领域

研究人员曾经怀疑,这种释放巨大能力的天文现象导致了稀有元素的产生,比如金和铂。

英国贝尔法斯特女王大学(Queen’s University Belfast)的凯特·马奎尔博士(Dr Kate Maguire)分析过此次碰撞所产生的光。她表示,有关的理论如今已经得到证实。

“利用世界上一些最先进的望远镜,我们已经发现,这一次中子星合并向太空高速散射出了金和铂等重化学元素。”

“这些新的结论极大地有助于解答长久以来被争论的未解之谜,元素周期表当中比铁更重的元素到底来源于哪里。”

华威大学的乔·莱曼博士(Dr Joe Lyman)形容这一次的观测“精巧细致”。

“它告诉我们,像金和铂这些用在珠宝上的重金属元素其实是残渣,是在中子星合并的十亿度高温中锻造的残留物。”

更多的发现仍将到来

此次发现还直接证实了,伽玛射线暴与中子星的相撞有关。

通过将引力波的信息以及由天文望远镜收集到的光信息组合,研究人员也通过新技术测量到了宇宙的膨胀率。相关技术最早在1986年由卡的夫大学的贝纳德·舒茨教授(Prof Bernard Schutz)提出。

剑桥大学的史蒂芬·霍金教授(Prof Stephen Hawking)告诉BBC说,这是“梯子上的第一根杠”,将带来远距离侦测宇宙的新方法。

“对于宇宙的一个新观察窗口通常都会带来不可预见的惊喜。我们仍然在拭目以待,或者洗耳恭听——我们刚刚唤醒了引力波的声响,”他说。

图片版权
NSF

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路易斯安那州的LIGO实验室有4公里长的管道,从控制中心延伸出去

莱斯特大学的尼尔·坦维尔教授(Prof Nial Tanvir)在智利使用VISTA天文望远镜进行观测。

他和他的同僚一听说侦测到引力波,就马上开始寻找中子星撞击的踪迹。

“当我们第一次收到通知说LIGO侦测到了中子星的合并时,真的很兴奋,”他说,“我们彻底不眠,对传送过来的影像进行分析,不简单的是,观察所得与此前的理论推测是如此的吻合。”

LIGO现在正在进行升级。一年之后,它的灵敏度将提升一倍——因此届时所能扫描的太空规模也将是现在的八倍。

研究人员相信,对黑洞和中子星的侦测将会成为常态。而他们希望,人们将能够开始侦测一些他们现在不能想象的实体,从而打开一个天文学的新时代。

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