雙中子星併合:人類首次「看到」引力波

2020-12-05 新華網客戶端

　　雙中子星併合過程示意圖。圖片來源：NASA官網

　　我國第2臺南極巡天望遠鏡 AST3-2，在8月18日觀測窗口期內觀測到引力波光學信號（紅色方框內）。

　　慧眼望遠鏡示意圖。

　　美國時間16日10時（北京時間16日22時），美國國家自然科學基金會召開媒體見面會，邀請美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲處女座（Virgo）引力波探測器以及世界各地70多家天文臺的科學家代表，共同宣布人類首次探測到來自雙中子星併合的新型引力波，並「看到」這次併合事件發出的電磁信號。

　　探測到中子星併合的引力波信號及光學對應物，早在8月份就已經傳言四起。這次發布會確認，美國東部時間8月17日8時41分，LIGO捕捉到這一引力波信號GW170817，由距離地球1.3億光年的長蛇座NGC4993星系內兩個中子星併合產生。隨後，美國國家航空航天局（NASA）的費米伽馬射線望遠鏡在發現引力波信號的NGC4993星系內，探測到一個持續時間大約2秒的短伽馬暴（編號為GRB170817A）。隨後包括歐洲南方天文臺（ESO）甚大望遠鏡、哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文臺以及阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列等全球數十家天文臺兩天內對準NGC4993星系，共同觀測到了這次雙中子星併合事件。

　　LIGO團組的科學家們最近剛因在引力波研究方面的成就獲得了2017年諾貝爾物理學獎。2015年9月14日，LIGO研究團隊首次探測到引力波，並在2016年2月份對外發布了相關結果。自那以後，研究人員又陸續確認了三次引力波事件，最近的一次信號首次由LIGO以及Virgo共同探測。這四次引力波信號都是源自宇宙深處兩個黑洞併合產生，不會發射電磁波，而天文學家們一直在期待另一種形式的引力波事件——雙中子星併合，因為這種併合產生的引力波會伴隨電磁波等發光信號，從而可以被傳統望遠鏡直接探測到。所以每次LIGO發現引力波信號，許多天文學家會利用望遠鏡跟進觀測，希望成為發現電磁波小亮點的「第一個吃螃蟹者」。

　　根據現有理論，黑洞或中子星與中子星併合後，至少會產生引力波、千新星、千新星射電輻射、短伽馬暴和短伽馬暴餘輝這五類信號，其中千新星是併合後產生的金銀等放射性物質形成，其在衰變中會釋放大量高能射電輻射，而短伽馬暴以及包括X射線、射電等多波段輻射在內的短伽馬暴餘輝，則是由另一部分物質在黑洞周圍形成的「黑洞—吸積盤」系統，與星際物質相互作用形成。

　　中國南極巡天望遠鏡

　　探測到引力波首例光學信號

　　科技日報南京10月16日電 （記者張曄）中國科學院南京紫金山天文臺16日22時發布重大消息稱：中國南極巡天望遠鏡追蹤探測到引力波事件的首例光學信號，並證實雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源地。

　　自北京時間2017年8月18日21時10分起（即距離引力波事件發生24小時後），中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極崑崙站運行的第2臺望遠鏡AST3-2對GW170817開展了有效的觀測，此次觀測持續到8月28日，期間獲得了大量的重要數據，並探測到此次引力波事件的光學信號。這些數據揭示了此次雙中子星併合拋射出約1％太陽質量（超過3000個地球質量）的物質，這些物質以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波的發現，證實了雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源地。而過去，我們僅知道宇宙大爆炸產生了氫、氦等元素，大質量恆星爆發產生鐵等元素，而對其他重鐵元素究竟是怎麼來的則一無所知，這也就意味著我們人類在探測未知世界的路上更近了一步。

　　中國科學院紫金山天文臺研究員吳雪峰表示，AST3-2在南極地區觀測雙中子星併合產生的引力波事件有極大的便利，不僅地面幹擾較小，且連續觀測時間更長。而在南極地區的所有天文望遠鏡中，僅有我國AST3-2觀測到引力波事件的光學信號，其他均未觀測到。

　　AST3-2是我國在崑崙站安裝的第二臺南極巡天望遠鏡。其有效通光口徑50釐米，是南極現有最大的光學望遠鏡，並且完全實現了極端環境下的無人值守全自動觀測。目前，AST3-2主要進行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學對應體探測等天文研究。

　　中國慧眼望遠鏡

　　參與監測引力波電磁對應體

　　科技日報北京10月16日電 （記者李大慶）我國第一顆空間X射線天文衛星——慧眼HXMT望遠鏡，在雙中子星併合產生引力波事件發生時成功監測了引力波源所在的天區。對其伽馬射線電磁對應體（簡稱引力波閃）在高能區（MeV，百萬電子伏特）的輻射性質給出了嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機製作出了重要貢獻。

　　因為該引力波事件具有極為重要的意義，天文學家使用了大量的地面和空間望遠鏡進行觀測，形成了一場天文學歷史上極為罕見的全球規模的聯合觀測。然而，引力波事件發生時僅有4臺X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到爆發天區，慧眼望遠鏡便是其中之一。

　　在這些望遠鏡中，慧眼在0.2—5MeV能區的探測接收面積最大、時間解析度最好，因此對引力波閃（即編號為GRB170817A的伽馬射線暴）的MeV能區的伽馬射線輻射的探測能力最強。雖然此前人們普遍預計像本次事件這樣近距離（40Mpc，約1.3億光年）的雙中子星併合產生的引力波閃將極為明亮，但本次引力波事件產生的引力波閃出乎意料地暗弱，特別是在MeV能區的輻射十分微弱，導致沒有望遠鏡（包括慧眼在內）在這個能區探測到引力波閃。慧眼望遠鏡憑藉強大的探測性能，對該引力波閃在MeV能區的輻射性質給出了嚴格的上限。

　　值得注意的是，慧眼望遠鏡本來的設計目標是探測黑洞和中子星等銀河系內的X射線天體，研究極端引力場條件下的物理規律。項目組通過對慧眼望遠鏡輔助探測器的創新性使用，獲得了額外的探測伽馬暴及引力波電磁對應體的能力，使其成為國際上正在運行的最重要的伽馬射線暴監測設備之一，大大擴展瞭望遠鏡的科學產出。（記者聶翠蓉）

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