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双中子星并合:人类首次“看到”引力波

永利集团 1永利集团,引力波事件GW150914由两个恒星级黑洞并合而形成。巧合的是,观测到这一事件后仅0.4秒,费米伽马射线望远镜观测到了一起伽马暴事件。问题在于,这仅仅是巧合吗?图片来源:extremetech.com

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2015年9月14日世界时09:50:45,高新激光干涉引力波天文台(aLIGO)观测到了GW150914事件,这是两个恒星级黑洞并合而产生的一束引力波。就在0.4秒之后,费米伽马射线望远镜观测到了一起暗弱的伽马暴事件,持续大约1秒钟。尽管存在两者纯属巧合这样一个较小的可能性,但这一伽马暴事件看起来很可能就是由那两个黑洞并合而触发的。

双中子星并合过程示意图。图片来源:NASA官网

伽马暴(GRB)是一种伽马射线辐射的暂现现象,通常持续不超过2秒。平均而言,大约每天都会发生一次伽马暴事件。它们似乎随机出现在天空中的任意方向,这意味着它们并非是在我们的银河系中产生的。如果伽马暴源自银河系,那它们就应该大都分布在银河系的银盘面上才对。人们认为,伽马暴由中子星相撞之类的事件触发,也可能是由中子星被黑洞俘获而产生的。

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这起特殊的伽马暴事件(名为GW150914-GBM)由费米伽马暴监测仪发现,这台设备在任意时刻都能观察全天70%的面积。对于观测这些持续时间极短的伽马暴事件来说,这当然是一大优势,但这也意味着,让它去测定某一特定事件发生的位置就会有一些力不从心了。GW150914-GBM最有可能出现的位置,与引力波源GW150914可能的位置相重合。

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永利集团 5左图是引力波GW150914在天空中可能的位置,右图则是此次伽马暴在天空中可能的位置,两者大体相符。图片来源:V. Connaughton, et
al.

我国第2台南极巡天望远镜AST3-2,在8月18日观测窗口期内观测到引力波光学信号。

这起伽马暴事件很可能与引力波事件同源,还得到了另一个因素的支持。尽管这起伽马暴很暗,它的X射线光谱却较硬,这似乎排除了银河系内已知的伽马射线源。仍然存在一种可能性,就是某个银河系外的事件,比如中子星相撞,恰好在引力波事件后0.4秒,发生在与引力波源大致相同的方向上,但这种可能性似乎并不高。考虑到这起伽马暴事件较暗,也存在这样一个较小的可能性,即这是一起误报。

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如果我们假设这两起事件同源,这就意味着伽马暴也发生在13亿光年以外。根据观测到的峰值亮度,我们就能够计算出这一事件的峰值光度。计算结果表明,这一事件的峰值光度比此前观测过的任何一起短伽马暴事件都要暗一个量级。这也支持了如下观点,即这起伽马暴事件并非由中子星碰撞所致。

慧眼望远镜示意图。

如果这起伽马暴事件由并合的黑洞产生,这就相当令人吃惊了。人们从来没有预期过,恒星级别的双黑洞周围会存在物质盘,使得它们能够发出伽马射线。我们需要更多数据才能够确定。幸运的是,未来几年内,我们会有大量机会观测到类似事件的发生。(编辑:Steed

科技日报北京10月16日电美国时间16日10时(北京时间16日22时),美国国家自然科学基金会召开媒体见面会,邀请美国激光干涉引力波天文台、欧洲处女座引力波探测器以及世界各地70多家天文台的科学家代表,共同宣布人类首次探测到来自双中子星并合的新型引力波,并“看到”这次并合事件发出的电磁信号。

探测到中子星并合的引力波信号及光学对应物,早在8月份就已经传言四起。这次发布会确认,美国东部时间8月17日8时41分,LIGO捕捉到这一引力波信号GW170817,由距离地球1.3亿光年的长蛇座NGC4993星系内两个中子星并合产生。随后,美国国家航空航天局的费米伽马射线望远镜在发现引力波信号的NGC4993星系内,探测到一个持续时间大约2秒的短伽马暴(编号为GRB170817A)。随后包括欧洲南方天文台甚大望远镜、哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台以及阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列等全球数十家天文台两天内对准NGC4993星系,共同观测到了这次双中子星并合事件。

LIGO团组的科学家们最近刚因在引力波研究方面的成就获得了2017年诺贝尔物理学奖。2015年9月14日,LIGO研究团队首次探测到引力波,并在2016年2月份对外发布了相关结果。自那以后,研究人员又陆续确认了三次引力波事件,最近的一次信号首次由LIGO以及Virgo共同探测。这四次引力波信号都是源自宇宙深处两个黑洞并合产生,不会发射电磁波,而天文学家们一直在期待另一种形式的引力波事件——双中子星并合,因为这种并合产生的引力波会伴随电磁波等发光信号,从而可以被传统望远镜直接探测到。所以每次LIGO发现引力波信号,许多天文学家会利用望远镜跟进观测,希望成为发现电磁波小亮点的“第一个吃螃蟹者”。

根据现有理论,黑洞或中子星与中子星并合后,至少会产生引力波、千新星、千新星射电辐射、短伽马暴和短伽马暴余辉这五类信号,其中千新星是并合后产生的金银等放射性物质形成,其在衰变中会释放大量高能射电辐射,而短伽马暴以及包括X射线、射电等多波段辐射在内的短伽马暴余辉,则是由另一部分物质在黑洞周围形成的“黑洞—吸积盘”系统,与星际物质相互作用形成。

中国南极巡天望远镜

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