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刚刚见分晓!天文学们憋到快炸的大新闻,到底说了啥?

易疏序 发表于  2017-10-16 22:03

是的,天文界沸腾了。

世界各地的许多望远镜都指向了同一个方向。

预言中的景象如期而至。

全世界的天文学家都嗨翻了。

而这一切的开端,是那个短短一瞬的信号。

2017年8月17日,12:41:04 (协调世界时),在近地轨道默默飞驰着的费米-伽马射线太空望远镜向地面自动发送了一条简讯,内容是它刚刚探测到了一次来自宇宙深处伽马射线暴发。

大约6分钟后, 位于美国加利福尼亚州汉福德市的 LIGO 引力波探测器传来消息,在刚刚探测到的伽马暴发生前 1.7秒,探测到一次引力波暴发事件。

13:21:42,加入全球联网系统(Gamma-ray Burst Coordinates Network, GCN)的世界各地的望远镜控制中心同时收到一则通知,内容是发现一例高度疑似双中子星并合事件,并通报了初步判定的方位坐标。全世界的天文学家顿时都沸腾了,纷纷把自己的望远镜指向信号来源的方向.....

同一时间(北京时间8月17日晚上9点多钟),已经通过协议加入了LIGO多信使全球观测合作的慧眼团队,也收到了疑似观测到双中子星合并的通报,把在轨运行仅2个月,还处在紧张测试阶段的慧眼卫星,对准了信号来源的方向……

全世界的望远镜都在同一时间指向了同一个方向:那席卷1.3 亿光年的时空狂澜的源头。

第一次,人类不仅“听”到了引力波的“声音”,还“看”到了引力波的起源。

艺术家对于双中子星并合产生“巨新星”现象的想象图。图片来源:University of Warwick/Mark Garlick

不一样的引力波

这已经是 LIGO 探测到的第 6 个引力波信号了。前 5 次的引力波都是来自两个黑洞合并,并且黑洞的总质量都超过20个太阳质量。相互绕转的黑洞在时空中激起震荡,就像蹦床中央两个跳舞的大胖子在蹦床上激起的震颤一样。而这一次引起引力波的物体总质量只有 2.8 个太阳质量,这对于黑洞而言太小了,倒很像是中子星。除了质量的不同之外,其他 5 次黑洞合并没有被用任何电磁波望远镜观测到,而这一次却被从射电到伽马射线、工作在不同电磁波能段上的不同望远镜探测到。这些迹象都表明,这一次的引力波应该来自两个中子星的碰撞。

中子星是何方神圣?为什么它碰撞发出的引力波比黑洞的引力波更让科学家们兴奋?

至今为止观测到的6次引力波事件。图中不同色彩的圆圈代表了各次引力波事件信号可能来自天空的方向范围。几次引力波事件发生后,利用引力波观测所能给出的事件在天空中可能的位置分布的对比。可以看到在今年欧洲的Virgo加入之后,3站联合给出的定位精度有了很大提高。图片来源:LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer/Axel Mellinger

本次引力波事件的方位。图中左侧显示的是费米、LIGO和VIRGO共同确定的引力波信号来自的天空(天球)方向范围。在这个范围里,发现一个星系中发生了巨新星爆发的现象。右侧是光学望远镜拍摄到的爆发前与爆发后的星系照片。可以看到爆发后(上图)多了一颗星体。图片来源:

中子星与脉冲星

宇宙中密度最高的物体当属黑洞。但严格来讲,黑洞并非属于这个时空的物质,而是掉入时空深渊的致密物质在这个时空投下的一片阴影。因此黑洞能表现出来的性质非常简单:质量、自转速度、电荷。正因为这样,一个诺大的黑洞像一个基本粒子一样简单。两个黑洞如何并合,将产生何种引力波,尽管求解并不简单,但是总的来说是清楚明白。至于黑洞并合后的结局,则只能是一个更大的黑洞,并无什么意外。而且理论上说,两个黑洞的并合除了引力波之外,什么其他辐射也不会产生。因此,除去第一次发现引力波的欣喜震撼之外,这接二连三的双黑洞引力波事件逐渐变得有些无趣:一些完全意料之中的信号,一些很难挖掘更多信息的信号。

本次双中子星并合事件前后的对比图。图片来源:ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration

而中子星则不同。它是密度仅次于黑洞的存在形态。如果用观音菩萨的玉净瓶去中子星里舀一瓶物质,重量将与全部渤海水相当。并且不同于黑洞,中子星的物质结构没有被时空的遮羞布挡起来,因此是有机会一窥究竟的。那是在高度弯曲时空中的简并态中子物质,那将是地球人从未想象过的物质形态。

除了不可思议的高密度之外,中子星还拥有地球实验室无法企及的强磁场环境。竭尽目前人类技术之极限,在实验室中可以产生的磁场强度不到 100 特斯拉。而中子星轻轻松松就可以达到十亿特斯拉的磁场。这强大磁场在中子星周围产生了一个比自身半径大百倍的,充满了等离子体和电磁波的磁层。这使得中子星在两极发出电磁波束,像一盏巨大的探照灯。

经过艺术处理的中子星磁层结构示意图。图片来源:ESA/ATG medialab

当地球恰好出现在这盏探照灯扫过的地方时,这颗中子星就会被地球探测到。此时这颗中子星被叫做一颗脉冲星。因此脉冲星是中子星的一种表现形式。

两颗中子星在碰撞之前,必然先相互靠近绕转。与黑洞的纯引力作用不同的是,两颗中子星的磁场会在很远的地方就开始相互作用,影响他们绕转的方式。想象一下两颗巨型磁铁互相靠近时的情形吧!

当他们靠的足够近时,磁层里的等离子体、磁力线、辐射都会碰撞在一起,交织成一出骇人的混乱大戏。当它们靠得再近一些时,彼此的潮汐力会在中子星表面和内部掀起简并态中子物质的巨浪。上面提到的每个过程都充满了不确定性,并且都会影响引力波的波形。因此双中子星合并的引力波将有可能告诉我们在宇宙最狂野的角落发生的一些前所未知的事情,从而帮助我们深入了解引力理论、磁流体力学和简并态的中子超流的性质。

两颗中子星的并合会产生剧烈的爆炸,这被称作巨新星(或千新星)。这样的事件会把重元素抛洒到太空中。这张图里就列举了其中部分元素和它们的原子序数。图片来源:ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

中子星内部

以上所提到的内容并不是高潮,因为到此时两颗中子星还没有碰撞在一起。如果说中子星磁场和磁层的结构人们多少可以从脉冲星的观测中猜个大概的话,那中子星内部的物质形态就连猜也无从下手。以前人们会根据脉冲星转动速度的变化来推测中子星内部物质的形态,这种做法就像从鸡蛋的旋转情况来估算鸡蛋的蛋黄有多大,进而推测鸡蛋有什么营养成分一样无奈。

科学家想象中的中子星内部结构。图片来源:Wikipedia | 翻译:易舒序

而两颗中子星碰撞的过程,将撞碎中子星的外壳,将大量的内部物质抛射出来。这个过程将伴随着强烈的电磁波辐射,而被望远镜观察到。伽马射线暴就是其中的一种现象。

而并合后的两颗中子星,有可能变成一颗不稳定的超大中子星,继续放出引力波“余音”;或者一下子变成黑洞,又或者是先变成中子星、随即坍缩成黑洞。这个奇妙而神秘的过程都会被引力波忠实地实况转播给地球的科学家们。

伽马射线暴与巨新星(Macronova)

上个世纪60年代,美苏争霸正如火如荼。美国发射了 Vela 卫星来检测苏联的太空核试验。起初他们发现很多次疑似核爆的信号,后来经过仔细检查发现这些“核爆”信号竟然来自银河系以外。这些信号后来被称为伽马射线暴发。这些爆发的信号跨越数十亿光年的茫茫太空被探测到,居然还能被当成是地球附近发生的核爆炸,其暴烈程度可想而知。事实上这些伽马射线暴发是创世大爆炸以来宇宙中最猛烈的爆炸。

艺术家想象的双中子星合并时发生的猛烈爆炸。扭曲的时空网象征着爆炸发出的引力波,上下两道光柱代表的是在发出引力波仅几秒钟后会喷射出的伽马射线。图片来源:NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

关于这些伽马射线暴究竟是什么,长期以来众说纷纭。其中一种短促的类型被相信来源于两颗中子星的碰撞。然而支持这个理论的人很难找到确凿的证据,毕竟你无法追踪两颗中子星碰撞的全过程,然后看到伽马射线暴。

然而这次引力波信号在伽马射线暴发开始之前就被捕捉到了,它清晰地显示了两颗中子星撞在一起前的过程。随即来自同一方向的伽马射线暴被探测到,一个完美的证据链条展现在人们眼前。

欧南台甚大望远镜(VLT)拍摄到的NGC 4993星系,箭头所示位置的光点是双中子星并合事件的光学对应体。

那些被抛射出的中子星内部物质将在空间中膨胀,衰变,从而在合并发生几小时到几年的时间里发射出从光学-近红外,到射电波段的余晖。这被称为巨新星(Macronova,或Kilonova,千新星)。在这次的引力波事件发生后 11 小时后,在引力波的方向上,许多的望远镜在光学波段探测到 1.3 亿光年外一个星系 (NGC 4993)的巨新星暴发。X射线望远镜和射电望远镜也分别在9天和16天后在相同的星系发现了新出现的辐射源。

在引力波事件GW170817爆发后,全球近百台各波段望远镜立即进行了跟进观测,其中仅光学望远镜就有至少50余台。这些望远镜分布在南美、夏威夷、澳洲、南非等地,全天接力式的对GW170817的光学对应体进行了长达一个多月的观测。这个动画根据真实观测记录,展现了这些光学望远镜在12天内是如何展开国际接力观测的:每一个气泡代表一次观测,气泡的最终大小与望远镜口径正相关,气泡颜色表示所观测的波段。其中位于南极洲的光点是由我国的南极巡天望远镜(AST3-2)贡献的。制图:刘博洋

宇宙学与空间维度

引力波源所在的星系被找到,这意味着人们可以同时知道这颗星系红移和比较准确的距离。如果有一批这样的样本,我们就可以在更大的尺度上研究宇宙膨胀的规律。此外,有一些理论认为空间存在三维以外的维度,而引力波会泄漏到这额外的维度里,从而衰减得更快。假如这一切都是真的,那么用引力波估算出来的距离应该比用电磁波估算出来的距离更远。对比这两者之间的差异,人们或许可以找到额外维度存在与否的证据。

尾声

回到位于北京石景山区玉泉路的高能物理研究所那间彻夜灯火通明的会议室。那一晚,控制指令被争分夺秒地发送到太空中的慧眼卫星,数据源源不断地从卫星下载到地面控制中心,科学家们兴奋而紧张地处理着数据。由于这次伽马暴的能谱非常软且信号出乎意料的暗弱,所以慧眼并没有能够直接观测到高能频段的信号。不过,慧眼望远镜凭高灵敏度、大有效探测面积的强大探测性能,对这次伽马暴在MeV能区的辐射性质给出了最严格的上限。这个结果对理解这个双中子星合并产生的电磁辐射也起到了非常重要的作用,更为人类首次“看清”引力波源的面目做出了不可取代的贡献。

这一夜,那一瞬的信号,让全世界的望远镜指向同一个方向;让全世界天文学家空前联手。

那是一段听得到也看得见的双星舞蹈,是一次人类对于宇宙耳聪目明的观察,更是一场全世界天文学家的集体盛宴。它开启的,是一个人类认识宇宙的新纪元。(编辑:明天)

致谢

感谢中国科学院高能物理研究所刘红薇博士,西澳大学国际射电天文研究中心博士生刘博洋对本篇文章的帮助。

参考文献

  1. LIGO scientific collaboration, Virgo collaboration and partner astronomy groups, 2017
  2. GCN, 伽马射线暴, 2016. gcn.gsfc.nasa.gov/burst_info.html
  3. 易疏序, 脉冲星计时研究, 2016. shuxuyi.github.io/Documents/thesis.pdf
  4. An Overview of Gravitational waves, Theory, Sources and Detection, World Scientific Publishing, 2017.
  5. Leah Crane, Gravitational waves could show hints of extra dimensions, 2017. www.newscientist.com/article/mg23431244-200-gravitational-waves-could-show-hints-of-extra-dimensions/
  6. ESO Telescopes Observe First Light from Gravitational Wave Source, Merging neutron stars scatter gold and platinum into space, 2017. www.eso.org/public/news/eso1733/

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全部评论(30)
  • 1楼
    2017-10-16 22:22 Nightenstar
    引用@蓑雨吟 的话:傻砝

    ╭(╯^╰)╮又拦在我前面

    [0] 评论
  • 2楼
    2017-10-16 22:24 有人

    何时可以人工产生引力波?

    [0] 评论
  • 3楼
    2017-10-16 22:27 蓑雨吟
    引用@Nightenstar 的话:╭(╯^╰)╮又拦在我前面

    你再晚点就可以坐沙发了,因为我想删评论,这篇文章不是很感兴趣。

    [0] 评论
  • 4楼
    2017-10-16 22:44 菊科植物
    引用@蓑雨吟 的话:你再晚点就可以坐沙发了,因为我想删评论,这篇文章不是很感兴趣。

    我也对这篇文章不太感兴趣,以我贫乏的知识看着费劲

    [0] 评论
  • 5楼
    2017-10-17 00:03 听雨

    哈勃望远镜没参与吗?

    [0] 评论
  • 6楼
    2017-10-17 06:54 good人
    引用@蓑雨吟 的话:傻砝

    怎么回事啊你,不喜欢也犯不着骂人,对别人表示一下尊重有这么难?


    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 7楼
    2017-10-17 09:11 operabug
    引用@有人 的话:何时可以人工产生引力波?

    想要人工产生引力波干嘛呢?通信吗?引力波速度也是光速,和电磁波比没什么优势

    另外目前的理论只支持大质量引起时空弯曲,如果物理理论没什么大变化的话,你的问题可以换成,何时可以人工生产中子星和黑洞

    [0] 评论
  • 8楼
    2017-10-17 09:18 Foehn

    666 这么劲爆的新闻 居然没人抢板凳

    [1] 评论
  • 9楼
    2017-10-17 09:49 三体-海人
    引用@有人 的话:何时可以人工产生引力波?

    其实你自己就可以随时产生引力波。只不过……现有的观测手段难以测定罢了。

    或许你的问题应该改为,“何时可以人工产生可以被人造的仪器观测到的引力波?”

    [1] 评论
  • 10楼
    2017-10-17 09:49 伟大的小逗比
    引用@good人 的话:怎么回事啊你,不喜欢也犯不着骂人,对别人表示一下尊重有这么难?

    那是沙-发的意思啦!

    [1] 评论
  • 11楼
    2017-10-17 10:15 晨光01
    引用文章内容:但严格来讲,黑洞并非属于这个时空的物质

    这句话有依据么?“这个时空”到底是“时间”还是“空间”?还是必须两者同时?

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  • 12楼
    2017-10-17 10:20 晨光01
    引用文章内容:至于黑洞并合后的结局,则只能是一个更大的黑洞,并无什么意外。

    当然有“意外”。黑洞合并成更大的黑洞,更大的黑洞合并成为更大更大的黑洞,这样的合并难道会无限进行,没有限制么?这当然是不可能的!在达到适度的条件时,必然会出现新的情形,这就是“意外”。

    [0] 评论
  • 13楼
    2017-10-17 10:23 晨光01

    这次合并是否产生的巨新星是否是新的星系或新的星体?

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-10-17 10:25 晨光01
    引用文章内容:并合后的两颗中子星,有可能变成一颗不稳定的超大中子星,继续放出引力波“余音”;或者一下子变成黑洞,又或者是先变成中子星、随即坍缩成黑洞。这个奇妙而神秘的过程都会被引力波忠实地实况转播给地球的科学家们。

    这段文字描述让人很满足。

    [1] 评论
  • 15楼
    2017-10-17 14:12 天降龙虾

    引力波貌似要比电磁波更早到达地球啊,这是为啥???

    [1] 评论
  • 16楼
    2017-10-17 17:20 钓鱼

    我如果说不存在引力波,会被嗤笑,还是不说了,在这里坐等20年,看引力波的笑话。

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  • 17楼
    2017-10-17 17:45 coucouxiao

    我纳闷的是他们的运气咋那么好,中子星相碰时间很短,发出的引力波咋正好叫他们不早不晚地碰到?一会儿说宇宙膨胀,一会儿说,星系合并,这他妈的分明就是翻云覆雨,鬼话连篇,天文学已经走向反动,可恶的是跟着裸体皇帝后面欢呼的还有那么多二球臣子

    [0] 评论
  • 18楼
    2017-10-17 18:03 夏某
    引用@天降龙虾 的话:引力波貌似要比电磁波更早到达地球啊,这是为啥???

    看文章不仔细,引力波先爆发出来。

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  • 19楼
    2017-10-17 18:18 可心树懒

    在日后的工作中,可以用卫星观察引力波,因为广阔的宇宙空间是安静的。可以减少干扰和设计成本。

    [0] 评论
  • 20楼
    2017-10-17 21:34 几年没上Q
    引用@coucouxiao 的话:我纳闷的是他们的运气咋那么好,中子星相碰时间很短,发出的引力...不早不晚?太空望远镜是时时刻刻都在观测并记录的,更何况太空望远镜不止一个。以及,文中根本没提到什么星系合并,说的是中子星合并,可见你既没常识,也根本没看文章,只是找了几个借口就急着开喷。不用回复,我知道你这种人会用“因为我是对的所以反对我的人都是走狗,因为反对我的人都是走狗所以我是对的”的神逻辑打败任何人。
    [1] 评论
  • 21楼
    2017-10-18 08:37 本杰明-范-1024
    引用@三体-海人 的话:其实你自己就可以随时产生引力波。只不过……现有的观测手段难以测定罢了。或许你的问题应该改为,“何时可以人工产生可以被人造的仪器观测到的引力波?”

    如果我没记错的话源于人类的引力变动早就可以被探测到了——只是和其他规模差不多的引力变动混在一起没有分辨意义罢了。至于换成“引力波”一词有什么区别,个人不太了解。

    [0] 评论
  • 22楼
    2017-10-18 09:16 黑色翅膀
    引用@天降龙虾 的话:引力波貌似要比电磁波更早到达地球啊,这是为啥???
    那些被抛射出的中子星内部物质将在空间中膨胀,衰变,从而在合并发生几小时到几年的时间里发射出从光学-近红外,到射电波段的余晖。

    电磁波产生的更晚。

    [0] 评论
  • 23楼
    2017-10-18 16:22 拼音佳佳2
    引用@有人 的话:何时可以人工产生引力波?

    拿两个球球绕转就OK.难点不在产生引力波,而是如何观测到人工生成的引力波信号?

    [0] 评论
  • 24楼
    2017-10-18 22:50 地球上的裸猿

    沧海一粟,宇宙一尘,能够被伽马暴扫到,也是很小的概率?

    [0] 评论
  • 25楼
    2017-10-19 22:53 未风
    引用@本杰明-范-1024 的话:如果我没记错的话源于人类的引力变动早就可以被探测到了——只是和其他规模差不多的引力变动混在一起没有分辨意义罢了。至于换成“引力波”一词有什么区别,个人不太了解。

    引力变动和引力波完全是两个概念。

    两者之间的差距比波浪和海啸的差别还要大。

    [0] 评论
  • 26楼
    2017-10-19 23:03 野比.大雄

    唉。。。你看那星星多么美丽~~~

    可它们也找到了伴。。。。。

    [2] 评论
  • 27楼
    2017-10-21 00:33 本杰明-范-1024
    引用@未风 的话:引力变动和引力波完全是两个概念。两者之间的差距比波浪和海啸的差别还要大。

    那您能解释一下吗?

    [0] 评论
  • 28楼
    2017-10-21 09:40 未风
    引用@本杰明-范-1024 的话:那您能解释一下吗?

    我们都知道,引力只和质量与距离相关。

    所谓引力变动,鉴于质量并不会凭空增加或损失,那么实际上只是有质量物质的距离变化而已。

    而根据万有引力公式,引力对距离变化是相当敏感的,引力会随着距离的增减而以其二次方的幅度而减少或增加。

    以上是牛顿力学的内容。

    而在相对论看来,引力是物质质量对时空的弯曲。

    所谓引力波,是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播。

    换成你容易理解的话来说,就是引力变动造成的影响以波的形式向外扩散。

    拿投石入水做个不太确切的比喻,引力变动是石子溅起的水花,引力波就是那荡起的层层涟漪。

    对比一下两者的检测难度,引力变动由于是直接影响,因此只要让两个大质量物体做相对移动就能检测得到。而地球上能观察到的最明显的引力变动就是海洋的潮汐。

    但引力波的检测就困难太多了。鉴于引力波对物质的影响幅度相当微弱,因此只有恒星级天体近距离接触之时我们才能通过目前人类能造出来的最精密的探测器检测到它的存在,这类事件也就无外乎恒星相撞、黑洞合并、黑洞吞恒星,以及这次发现的中子星合并事件了。

    [2] 评论
  • 29楼
    2017-10-24 14:09 未懂热吻

    感觉这的人都好专业啊

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  • 30楼
    2017-10-27 10:47 脖子落枕好难受

    伽马射线???

    浩克????

    [0] 评论

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易疏序
易疏序 易疏序,香港大学博士后。研究方向中子星。最喜欢讲完笑话有人笑,讲完科普有人“噢”。

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