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欢呼!为1.3亿光年外的那次震荡:7位科学家点评双中子星并合引力波事件

婉珺 发表于  2017-10-16 22:01

今夜,是全世界天文学家的狂欢。

全球数十家天文机构同时宣布了这个“前所未有”的重大消息——人类第一次探测到了双中子星并合产生的引力波。

双中子星并合模拟图。图片来源:ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

长久以来,人类执迷于仰望星空,因为那里有来自宇宙深处的奥秘。

如果说首次观测到引力波意味着人类打开了观测宇宙的新维度,意味着人类终于“听”到了来自宇宙的“声音”;那么这次双中子星并合事件,则意味着人类首次同时“看到”并“听到”了来自宇宙深处的信号。

这个信号,让世界各地的望远镜指向同一个方向;这个信号,让全球天文学家空前联手;这个信号,带给我们史无前例的重大新闻。

这是一段可看可听的双星舞蹈,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,它开启了一个崭新的天文、物理、宇宙交叉的研究领域。

身处这场科学狂欢中的科学家们是如何谈起这次历史性天文事件的?他们现在有着怎样的心情?果壳科学人在第一时间采访了7位或直接参与观测,或与此有密切关系的科学家,来听听他们如何评论今晚这一重大消息。

1.“双中子星并合引力波”是什么?

就在不久之前,LIGO和Virgo联合宣布探测到了引力波GW170814,这也是人类探测到的第四个黑洞并合引力波。有观点认为,人类已进入“引力波常态化”的时代。这种情况下,依然引起了巨大轰动的双中子星引力波究竟是何方神圣?它与之前的黑洞引力波有何不同?

张冰(美国内华达大学拉斯维加斯分校教授,北京大学长江讲座教授,美国物理学会会士):

引力波是爱因斯坦相对论的预言。根据理论,任意两个通过引力相互绕转的天体(比如说两颗恒星,甚至太阳和地球)都辐射引力波。但是引力波一般非常弱,只有当两个天体的距离达到接近绕转天体史瓦西半径时,引力波才强到可能被人类的引力波探测器(比如美国的LIGO)探测到。

所谓史瓦西半径是一个由质量定义的临界半径,一个物体如果能被“挤”进史瓦西半径就会成为黑洞。一个太阳质量天体的史瓦西半径大约3公里。当两个黑洞并合时它们的距离非常接近史瓦西尺度,所以双黑洞并合的引力波信号最强。这就是LIGO先发现双黑洞并合的原因。

除了黑洞外,下一种最致密的天体就是中子星了。一个中子星的特征质量是1.4个太阳质量,半径大约10公里,大致比1.4太阳质量的史瓦西半径大一倍多一点。当一个中子星和一个黑洞或者两个中子星并合时,两个天体的距离也非常接近,因此它们发出的引力波也可以被LIGO探测到。

黑洞和中子星都是大质量恒星死亡的产物(这里只涉及恒星级黑洞,星系中心的超大质量黑洞起源另当别论)。一般来说,如果原初恒星质量超过20太阳质量,它死亡(即中心核燃料耗尽)后会直接坍缩为黑洞。恒星级黑洞的质量至少为3个太阳质量,常常更高。比如说LIGO探测到的几个黑洞质量高达30太阳质量。如果原初恒星质量在8-20太阳质量之间,恒星死亡后只能形成中子星,质量一般在1.2-2太阳质量之间。更轻的恒星(如太阳)只能产生白矮星。

引力波的一个重要特征参数是频率。频率依赖于绕转体的质量。质量越小,绕转频率越快(这用牛顿万有引力理论就能导出)。所以双中子星并合和双黑洞并合引力波信号最显著的区别是前者可以达到更高的引力波频率。

其实LIGO之所以声称发现了双中子星并合,其主要依据是从频率导出的“chirp mass”(啁啾质量)太小已不能用黑洞解释。原则上讲,并合以后的引力波信号也能给出中子星并合的更强证据(比如并合后的产物不是黑洞而是一个超大质量的中子星),只不过目前LIGO灵敏度还不够做出足够精细的测量来研究并合产物。

冯骅(清华大学工程物理系及天体物理中心教授):

黑洞并合就像听故事,波澜壮阔的画面全靠想象;中子星并合更像声情并茂的电影,图像声音精彩丰呈。而这些不同“渠道”传递出来的信息,更容易让我们全面理解并合的物理过程。

中子星并合过程中,星体会被潮汐瓦解,形成吸积和喷流,甚至有大量物质抛射。这些动作伴随各个波段的电磁辐射,形成了这次引力波事件的电磁波对应体。这也意味着天文观测从“多波段天文学”向“多信使天文学”迈出了重要一步。

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

从2016年底开始,我们在清华校内组织了一个学生项目“天格计划”,希望在空间轨道上布置20余颗微小卫星,形成一个全天覆盖的伽马射线暴探测网络,来捕捉中子星并合形成的引力波暴的电磁对应体,并利用各个卫星接收到信号的时间延迟对暴发进行定位。这种技术叫做行星际网络 (IPN),但是专门针对中子星并合引力波电磁对应体这一科学目标进行设计和优化。目前已经有十来个高校加入了这一项目。这次探测到中子星并合事件,无疑是对类似项目提出了更紧迫的需求和更明确的科学和技术目标。

吴雪峰(中国科学院紫金山天文台 “高能时域天文团组”首席研究员):

双中子星引力波产生于两个中子星组成的双星系统演化到最后阶段的并合,并合过程非常短暂,时间跨度仅为毫秒量级。

在双中子星发生并合且产生引力波的同时,有可能产生电磁信号,包括射电信号、可见光信号、X射线、伽马射线等,即引力波电磁对应体,而此前LIGO已经探测到的4对黑洞并合产生的引力波事件中都未发现引力波电磁对应体。

主流模型认为,双黑洞并合的过程中不会产生电磁信号,只会产生巨大的引力波;也有学者认为,在某些特殊情况下的黑洞并合能够产生电磁信号。

但是双中子星并合完全不一样,在并合的过程中系统会抛射出一些物质,并产生比超新星暗,但比普通新星亮的光学信号。

舒菁(中国科学院理论物理研究所研究员):

双中子星这种双星系统其实很早就被探测到,不过是处于前期缓慢的环绕阶段,而非后期的并合阶段。例如1974年发现的著名的赫尔斯-泰勒(Hulse–Taylor)双星系统(PSR B1913+16),是由其中一个自旋很快的中子星(即脉冲星)发出的脉冲信号所探测到的,人们发现其轨道处于衰减的过程中,这是由于引力波的辐射会带走能量。通过对其轨道的精确及长期的测量,发现轨道的衰减与广义相对论基于引力波辐射的计算符合的非常好,这提供了引力波存在的间接证明,也为拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor)两人赢得了1993年的诺贝尔物理学奖(不过这个系统还要大约三亿年才会并合)。

中子星和黑洞都属于天文上的致密星体,不过中子星的质量在一到两个太阳质量左右,而黑洞的质量则可以很大,例如LIGO发现的几例黑洞并合事件中黑洞的质量从几个到几十个太阳质量。双中子星系统辐射的引力波总能量要比前几次黑洞的要小,也更难测量。

双黑洞并合不会有电磁对应辐射,而双中子星的并合则可以,这样在观测到引力波的时候,可能会观测到对应的电磁信号。

熊少林(中科院高能所粒子天体物理中心 百人计划 项目研究员):

本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同,它由两颗中子星并合产生。理论预言双中子星并合不仅能产生引力波,而且能产生电磁波,即引力波电磁对应体,因此本次事件中探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现。

几千年来,人类对于头顶的茫茫宇宙只有“视觉”,即观察宇宙天体发出的光。2015年9月14日对双黑洞并合产生引力波的成功探测,宣告人类获得了“听觉”。然而,这些双黑洞并合事件都只能听,因为它们没有发光,视觉发挥不了太多作用。2017年8月17日的双中子星并合事件终于使人类能同时使用视觉和听觉,对这个远在1.3亿光年外的天文现象进行前所未有的观测与聆听。

张帆(北京师范大学副教授,美国西弗吉尼亚大学兼职助理教授):

双中子星并合与双黑洞并合类似,都会由所谓“致密天体”环绕碰撞引起时空涟漪,暨引力波。但黑洞情况基本是真空演化(奇点不会传递信息到黑洞之外),而中子星是由核子物质组成的,涉及更多的核物理和天体物理过程,可以产生较强的电磁和中微子辐射。

2.双中子星并合事件的重要意义是什么?

双中子星并合引力波事件让科学家们激动不已,不少人将它与人类首次探测引力波相提并论,甚至看上去比首次探测到引力波还要令人激动。

那么,这次双中子星并合引力波有什么样的重要意义?

张双南(中科院高能物理所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任):

从400多年前伽利略发明天文望远镜开始,远在天边变成了近在眼前,利用各种各样的强大的望远镜,人类得以能够欣赏遥远宇宙的各种美丽的天体。但是在探测到引力波之前,人类听不到宇宙的声音,面对宇宙,人类只能是聋子。

引力波是时空的涟漪,如果我们距离引力波源足够近,它就会让我们的耳膜振动起来,我们就能够听到宇宙用引力波发出的美妙声音。但是,由于我们距离引力波源太远了,需要借助强大的引力波探测器才能听到宇宙的声音,因此引力波探测器就是人类的“助听器”。自从2016年2月11号美国的激光干涉引力波天文台宣布听到了两个黑洞结合在一起时发出的欢快声音,人类从此就不再是聋子了。

然而,尽管已经“听”到了四次黑洞结合发出的声音,天文学家却还没有“看”到黑洞结合的美丽图像。面对发出引力波的天体,人类仍然是瞎子。难道人类只能是非聋即瞎吗?并不是!因为这一次,不仅仅激光干涉引力波天文台听到了两个中子星结合的欢快的声音,天文望远镜也看到了它们相爱迸发的烟花。耳听为虚,眼见为实!从此,人类终于耳聪目明了!未来引力波天文学的一个极为重要的方向就是所谓的“多信使”天文学,也就是不但要“听到”天体发出的美妙的引力波,还要“看到”这些天体的倩影。

张冰(美国内华达大学拉斯维加斯分校教授,北京大学长江讲座教授,美国物理学会会士):

天文学家们习惯于用眼睛(或更强大的眼睛,即望远镜)来看世界,即所谓“眼见为实”。引力波的发现打开了另一扇窗口,很多人比喻打开了人类的听觉系统。但是如果看不到引力波源,我们只能像是迷失在丛林的孩子——只听到不知名的鸟叫,不能确认是什么鸟、在哪儿鸣叫。所以自从引力波发现以后,人们就急切地寻找引力波的电磁对应体。

根据理论,如果一个引力波源能发光,它的附近一定存在物质或很强的电磁场。因为黑洞很有可能已把周围物质吞没,除非有特殊机制(比如黑洞带电或双黑洞在恒星内部),双黑洞并合不会给出非常明亮的电磁对应体。LIGO之前发现的四例双黑洞并合都没有被确认的电磁对应体(虽然有一个有争议的候选体)。相反,如果两个中子星并合,即使并合后产生黑洞,在黑洞外也会有很多物质,因此会产生很亮的电磁辐射。如果并合产物不是黑洞而是超大质量中子星,电磁辐射会更强。

理论预言,双中子星并合可能产生的电磁对应体包括短伽马射线暴和光学并合新星。这次当LIGO在天文圈里宣布他们发现了人类第一次见到的双中子星并合候选体后,全世界的望远镜都指向那个方向,那些预言的电磁信号都如约而至,并带来更多的惊喜和困惑。这也是整个天文界为之沸腾的原因。

吴雪峰(中国科学院紫金山天文台 “高能时域天文团组”首席研究员):

此次双中子星引力波事件之所以让天文学家们都如此兴奋,是因为双中子星并合过程中不仅产生了引力波,还产生了丰富的信号,如短伽马暴等,空间X射线卫星、地面射电望远镜等探测设备都观测到了相应的信号。中子星并合能揭示宇宙中超重元素(比铁重的元素,如金元素)的起源。我所在的紫金山天文望远镜牵头、国内多家单位参与建设的南极巡天望远镜AST3-2也探测到了光学信号。

舒菁(中国科学院理论物理研究所研究员):

相对于基于电磁辐射(如光和射电信号)的传统的天文学,双中子星并合会提供一种电磁和引力波多信使的同时观测,从而提供一种互相检验的途径,也为研究中子星内部结构提供了很好的机会。自LIGO探测到双黑洞并合的引力波以来,引力波天文学的时代已经开启,而双中子星并合的发现及以后更多事例的探测,为这一领域提供了更加强有力的天文探测手段。在基础物理方面,这些引力波的探测对于进一步精确检验广义相对论及宇宙学常数的测量提供了更多的有效方法, 也有潜力和其他领域结合起来研究更多的物理问题。

熊少林(中科院高能所粒子天体物理中心 百人计划 项目研究员):

这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体,是引力波天文学的极为重要的里程碑,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义,正式开启了多信使引力波天文学时代。

引力波的直接探测刚刚获得了2017年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用,因此,人们普遍认为引力波研究的下一个里程碑是发现引力波事件产生的电磁辐射。

现在,人类感知宇宙的视觉和听觉终于双剑合璧了,引力波和电磁波(光)也终于相得益彰了。因此,本次发现开启了人类认识宇宙的新纪元。

张帆(北京师范大学副教授,美国西弗吉尼亚大学兼职助理教授):

通过对引力波,电磁波和中微子的协同观测,我们可以从多角度审视双中子星并合这一极端天文事件,寻求解答诸如核子在致密情况下的物态方程(可用于改进核弹数值模拟与真实情况的吻合度),短时伽马暴是否真由双中子星并合造成,以及令我们倾倒的金子到底是在双中子星并合还是超新星暴发过程中产生的这类问题。

协同观测也使得对引力波成功探测的置信度达到赫兹实验的等级(赫兹验证无线电波时是自己造的波自己测,不仅接收到信号还进一步检验其与发射的信号确实吻合),因电磁信号独立确定了波源及其性质。

3.中国科学家做了哪些重要的贡献?

由于中子星并合引力波具有电磁对应体,这意味着不仅LIGO和Virgo能够探测到并合产生的引力波,其他天文台也能参与到此次探测中来。值得一提的是,许多中国科学家在这次的探测中作出了卓越的贡献。

张双南(中科院高能物理所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任):

今年(2017年)6月15号发射运行的慧眼天文卫星也参加了这次创造了天文学历史的全球大联测,我感到十分自豪。

我和同事们那天(2017年8月17号)夜里用慧眼卫星对这个事件进行了观测和几乎实时的数据分析,迅速发布了观测结果(我还因为在办公室打了个盹而小小地感冒了一场)。因为慧眼卫星的贡献,慧眼团队的110位科学家作为中国的一个大型科学团队,带着慧眼的结果加入了这个“天文记录”(全球将近一千个单位的三千多个作者)的历史性论文。当然,作为慧眼卫星的首席科学家,我更关心的是,慧眼卫星能否看到产生引力波的时候绽放出伽马射线烟花。慧眼,加油!

彻夜未眠的慧眼研究团队。所有人迫切想拿到第一手观测数据。图中穿白色T恤的是廖进元,是当晚慧眼结果发布的第一作者。慧眼首席科学家张双南说,那晚“非常热闹”。图片来源:慧眼研究团队

张冰(美国内华达大学拉斯维加斯分校教授,北京大学长江讲座教授,美国物理学会会士):

许多国内外华人学者对这一事件做出了较重要的贡献。几位年轻学者(湖北第二师范大学范锡龙等)参与了LIGO发现;南京大学青年千人张彬彬教授和我领导的团队对与次并合事件成协的伽马暴做出了详尽的数据处理和理论研究;紫金山天文台独立发现了电磁对应体;南京大学戴子高小组,紫金山天文台吴雪峰小组,北师大高鹤小组,华中科大雷卫华小组都对此事件从不同角度做出理论研究。

在此重大发现之前,几位华人学者在这个领域做出开创性工作。北京大学李立新教授在全世界首次预言了中子星并合的电磁对应体。华中师范大学俞云伟教授与我和高鹤合作首次提出并合新星的概念和理论。(编辑:吴欧)

题图来源:NASA

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全部评论(9)
  • 1楼
    2017-10-16 22:58 Chemiholic
    也有学者认为,在某些特殊情况下的黑洞并合能够产生电磁信号。

    这个“特殊情况”是指两个黑洞各自都带有吸积盘?

    因为黑洞很有可能已把周围物质吞没,除非有特殊机制(比如黑洞带电或双黑洞在恒星内部)

    双黑洞在恒星内部?这该怎么理解?

    中子星并合能揭示宇宙中超重元素(比铁重的元素,如金元素)的起源。

    超新星爆发也能产生超重元素吧?

    [0] 评论
  • 2楼
    2017-10-17 13:58 天降龙虾

    天文学第二感觉醒到了第二阶段,什么时候觉醒到第七感,人类就可以创造属于自己的小宇宙了吧???

    [0] 评论
  • 3楼
    2017-10-17 22:44 qufuliao

    引力波既然携带能量 能弯曲时空

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  • 4楼
    2017-10-18 11:09 iCnxT

    丑陋的地球人,这只不过是我们的水滴打了个嗝


    [1] 评论
  • 5楼
    2017-10-18 16:54 喜欢新玩意儿_28941

    探测到了“引力波”并且确定这是双中子星并合产生的引力波是一个可喜的引力波探测实验进展!但是如果下“证实了引力波这种时空的涟漪可以在宇宙空间中产生、传播。”这样的结论就有些“牵强附会”了吧?难道“引力波”的扩展传播不是因为“万有引力场”自身就有的能够把某一点或者某一处的扰动向四面八方无数多个方向扩展传播出去的“本性”造成的吗(就像“电磁场”自身就能够把“光源”处的某一频率段的“电磁扰动——光”用“光波”的形式向四面八方无数多个方向发射出去并不需要任何第二者帮忙那样)?另外:既然探测到了“引力波”为什么不设法测量一下“引力波波长”与“引力波频率”呢?二者相乘不就是“引力波波速”吗?貌似仍然是把“引力波探测实验”当成是一个测量某种微粒子(有人已经干脆就说成是“引力子”了——呀!一不小心把底牌露出来了)的机械运动速度的实验而不是一种“物理场波动传播扩展运动(本人认为这才是真正意义上的“引力波动——即引力波”)”的探测实验了吧?我们知道:这是两种物理属性运动形态条件单位等等等等都完全不同的运动,是不能够也不应该放到一块说的呀。

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  • 6楼
    2017-10-18 20:23 在雨夜

    美国物理学会会士,为啥不叫会员啊?

    [0] 评论
  • 7楼
    2017-10-18 22:52 地球上的裸猿

    冯骅(清华大学工程物理系及天体物理中心教授):

    黑洞并合就像听故事,波澜壮阔的画面全靠想象;中子星并合更像声情并茂的电影,图像声音精彩丰呈。而这些不同“渠道”传递出来的信息,更容易让我们全面理解并合的物理过程。

    中子星并合过程中,星体会被潮汐瓦解,形成吸积和喷流,甚至有大量物质抛射。这些动作伴随各个波段的电磁辐射,形成了这次引力波事件的电磁波对应体。这也意味着天文观测从“多波段天文学”向“多信使天文学”迈出了重要一步。





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  • 8楼
    2017-10-19 10:05 黏液君 果树学博士生

    也就是1.3亿年前的事儿了~

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  • 9楼
    2017-10-19 21:31 DonQuixote
    引用@Chemiholic 的话:双黑洞在恒星内部?这该怎么理解?

    假如恒星变成黑洞时留下了大量的物质绕着黑洞旋转,不知道能不能说成黑洞在恒星内部?不过双黑洞在恒星内部?难道会有两个即将灭亡的超大质量恒星在各自形成黑洞的过程中相撞这种情况?
    瞎扯的,我也很好奇。

    [0] 评论

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婉珺
婉珺 果壳网科学编辑 气象学硕士

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