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全世界望远镜共同见证双子星合并 多信使天文学时代正 …

时间:2018-05-14 11:27来源:未知 作者:admin 点击:
2016年初,大卫·莱兹曾站在这同一个地方,宣布人类首次探测到了引力波——那时候我们说,多信使天文学新纪元即将开启。在这一次GW170817的探测中,人类首次同时探测到了引力波及其电磁对应体,这可以被视作引力波多信使天文学纪元真正意义上的开端,在天文学发展史上有着划时代的重大意义。另一方面,双中子星合并通常被认为是伽马射线暴的一类产生源,会产生很多不同的观测现象,所以综合引力波、电磁波等多个方式的观测,我们能够对中子星这一充满谜团的天体做出更为详细的了解。在9月底的第四次引力波发布会上,姗姗来迟的VIRGO已使得LIGO探测器的空间定位范围从1160平方度收缩到100平方度,二者协同合作,将空间位置的精确性大大提升。如果进一步利用贝叶斯统计方法对所有可能参数进行估算,空间定位将进一步缩减至60平方度。这样一来,空间定位就足足提高了将近20倍。在这次的双中子星事件中,三个探测器最终将产生源定位于一个28平方度的范围之内。正因空间定位准确性大大提高,电磁波段所探测到的空间确认才成为了可能。联合观测的另一个重要意义是快速反应。无论是费米观测到的伽玛暴,还是LIGO/VIRGO看到的引力波,持续时间都非常短暂,所以需要其它天文台和观测者立即对于可能区域进行后续的追踪观测,这就需要某个系统即时通知可能的位置信息。正如发布会提到的,这次探测到的引力波是由双中子星合并而产生,之前公布的4例引力波事件都是由双黑洞所产生。二者之间最大的差别就在于,双中子星合并会产生电磁波辐射,而对于黑洞而言,我们通常认为不会产生,这一点也得到了观测上的验证。是什么原因导致了此种差别呢?通常而言,按照天体物理辐射的理论要求,要产生电磁辐射,天体周围必须要有气体的存在。对于黑洞系统而言,尽管在最初产生时,黑洞周围可能有很多气体,然而在漫长的演化过程当中,如果没有更多气体来源的话,在黑洞合并的最后阶段,气体已消耗完毕,所以无法产生电磁辐射,只能产生扰动时空的引力波——就像科学家前4次探测到的那样。在双中子星合并之前,周围的气体很可能也已消耗完毕。然而,合并过程当中会有部分物质以接近光速或远低于光速的速度被抛射出去,从而产生我们看到的各种电磁现象——短时标伽马射线暴(简称伽玛暴)、伽玛暴余辉和千新星。接近光速运动的物质产生了费米卫星看到的伽玛暴,而低速运动的物质产生了千新星,被很多的光学/红外望远镜捕捉到。简单来说,伽玛暴是天空中某一个方向伽马射线辐射突然增亮的现象,可以说是宇宙间自大爆炸之后最为剧烈的天体爆发现象。20世纪90年代初,康普顿伽马射线天文台在观测到上千个伽玛暴之后做了一个简单统计,按照它们持续时间的长短分为两大类:一类是爆发时间长于2秒的长时标伽玛暴,另一类是爆发时标短于2秒的短时标伽玛暴。后经深入研究发现,这两种伽玛暴的产生起源完全不同。此次与引力波相关的伽玛暴属于短时标伽玛暴,因为费米卫星观测到的爆发时标为0.7秒。除此之外,无论是引力波的结果还是电磁波的观测拟合结果,也都和双中子星合并的预期相一致。例如,引力波波形的拟合告诉了我们中子星的质量,与中子星的质量范围一致。在双中子星合并的过程当中,有大约1/1000到1/100左右太阳质量的物质沿各个方向被抛射出去,形状近似于一个球体。这些抛射出去的物质通过快中子俘获过程产生大量的重元素。这些元素很不稳定,能够快速衰变,产生辐射加热抛射物,从而使其发出明亮的可见光以及近红外辐射,其亮度通常会达到千倍的新星级别,故被称为“千新星”。因为这个千新星距离地球很近,所以非常明亮,是之前探测到的短时标伽玛暴距离的十分之一。因为产生引力波的天体完全不同,所以我们观测到的引力波形会存在较大差别。中子星的质量相较于黑洞要小很多,合并过程中对于时空的扰动变形程度更弱,所以,在目前探测器灵敏度确定的情况下,我们只可能探测到比较临近的引力波信号。这次的引力波源距离我们1.3亿光年,是目前探测到的所有引力波源中最近的一例。通过波形的拟合,科学家们确定了两个中子星的质量分别大约是1.15和1.6个太阳质量,合并后的天体质量约为2.74个太阳质量,抛射出去的仅有0.01个太阳质量。此前,无论是对于中子星本身,还是双中子星合并产生的伽玛暴,我们还有很多的疑难问题有待解答。双中子星合并之后,产生的是转速更快的中子星还是黑洞?有多少物质会在爆发中被抛射出去?喷流的机制和喷流的夹角是怎样的?我们都还不能确定。此外,到目前为止,科学家对于中子星内部的组成和结构仍不是特别清楚。而当两个中子星互相靠近但未合并之时,两个中子星会被彼此的潮汐力拉扯严重变形,从而最终影响旋近的速度,也会影响产生的引力波波形。所以,科学家们希望,引力波和电磁波的联合观测能够对这些问题提供一部分珍贵的答案。遗憾的是,受限于目前引力波探测设备的灵敏度,引力波信号曲线并不是很好,所以对于有关内部结构的问题并没有得到解答。但是,对于部分合并之后抛出了多少物质的问题,我们已经初步有了答案。值得骄傲的是,这一答案是由一部参与观测的中国望远镜给出的。(答案后文马上揭晓)双中子星合并之后是产生了中子星,还是产生了黑洞?现在依然无法确定。因为通过引力波波形的拟合,合并后的质量约为2.74太阳质量。从理论上说,如果一个天体的质量超过3个太阳质量,通常会被认为是黑洞。而中子星的最大允许值并不明确,如果中子星的内部由中子构成,综合考虑状态方程和转速,要想达到2.74个太阳质量不太可能。然而如果内部由其他的奇异物质(比如夸克)构成的话,在一定条件下,这个质量的天体就有一定可能性,此时这一天体应该被称为“夸克星”。不过,目前所有观测都没能给出中子星和黑洞的临界质量,当然也没能给出夸克星存在的证据。从观测的角度而言,我们观测到的最重的中子星大约是2个太阳质量,最小质量的黑洞质量是5个太阳质量;在这两者之间,一片空白,还未发现任何致密天体的质量属于这个范围。所以,对于此次双中子星合并产生的2.74个太阳质量的天体,尽管我们还不能确定它到底是什么,但是这一发现填补了黑洞和中子星之间的空白,为日后更多的天文发现掀起了帷幕的一角。尽管科学家们没有看到中子星内部信息,也不知道最终的合并物是什么,但众多后续电磁观测还是告诉我们了一些之前不太确定的信息,比如甚大望远镜(VLT)的光谱观测确认了重金属(比如我们熟知的金银等元素)的来源,大多数就是在中子星合并的过程当中产生的。之前科学家曾在短时标伽玛暴中探测到了3起疑似千新星事例,但只不过是在余辉的光变曲线当中看到了几个数据点而已。因为此次由于距离很近,而且伽玛暴余辉很弱,所以完全确认了千新星的存在。另外,通过对于其光变曲线演化的拟合可以推断,大约有百分之一的物质在合并过程中被抛射出去。除此之外,电磁信号和引力波信号的结合对于天文学理论本身有何促进意义呢?一方面,科学家可以通过这两个信号到达的时间差,来检验爱因斯坦的弱等效原理,这是爱因斯坦广义相对论和其它引力理论的基石,爱因斯坦的理论再一次通过了检验。另外,引力波信号和电磁信号相结合,可以对宇宙学的一些最基本参数做出限制,比如用来描述宇宙膨胀快慢的哈勃常数。通过引力波的振幅比对可以推断出系统到我们的光度距离,通过电磁波段的光谱分析,我们便可以知道这一系统的红移;在给定两者的情况之下,我们便能够推算出哈勃常数的数值了:另外一个参与观测的是硬X射线调制空间望远镜(又名慧眼)。在观测消息发布时,事件刚好在其观测范围之内,不过很遗憾的是,尽管慧眼是此能段内灵敏度最高的观测设备,但是未能在0.2-5 MeV的能段内探测到任何电磁信号,这很可能与此伽玛暴并非完全正对我们有关。这是人类历史上第一次同时探测到引力波及其电磁对应体,将成为引力波天文学上另外一个非常重要的里程碑。此次探测为我们解答了一些疑惑,同时也提出了更多问题,与历史上所有天文发现一样,是人类好奇心的胜利与新起点。在多信使引力波天文学时代的帷幕由此拉开之后,我们相信,在人类团结协作的力量之下,更多的宇宙奥秘将被一一揭晓。 (责任编辑:admin)
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