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    美性中文官网app - 引力波观测|在一场世界级的宇宙大寻宝中,天文学迈入了新时代

    2020-01-07 08:50:52 来源:张渚新闻网 点击:4998

    美性中文官网app - 引力波观测|在一场世界级的宇宙大寻宝中,天文学迈入了新时代

    美性中文官网app,中子星碰撞和黄金!ligo开启一场宇宙大寻宝。

    刚刚斩获诺贝尔奖的ligo(激光干涉引力波天文台)已经改变了天文学的世界。当ligo科学合作组织的科学家在2016年宣布他们首次探测到引力波时,这意味着他们找到了一种观测宇宙的新方法。有史以来第一次,科学家得以“倾听”由大型天体(比如黑洞)相互碰撞产生的时空涟漪。

    但这一切只是开始。科学家一直以来的梦想是,把引力波探测跟来自更加传统的天文望远镜的观测结果结合起来。

    周一,通过发表在学术期刊《物理评论快报》(prl)上的多篇论文,由世界各地数千位ligo科学家组成的团队发表了一项令人难以置信的研究发现。这些科学家不仅首次探测到了由两颗相互碰撞的中子星所产生的引力波,而且他们得以借助光学和射电望远镜找到它们在星空中的位置,成为这次天文事件的目击者。

    “这是你能想象的关于一次天体物理学事件最完整的故事之一。”来自雪城大学(syracuse university)的ligo物理学家彼得·索尔森(peter saulson)说道。

    每个数据源都讲述了这个故事不同的组成部分。

    引力波会告诉物理学家天体有多大和有多远,并让科学家可以成功再现它们发生碰撞前的时刻。然后,通过可见光和电磁波获得的观测结果则能填补引力波无法回答的空白。这些观测结果能够帮助天文学家确认天体究竟由哪些物质构成,以及它们的碰撞产生了什么元素。

    就这次事件而言,科学家得出了以下结论:中子星并合产生的爆炸能够制造包括金、铂和铀在内的重金属元素(科学家此前已经提出了这样的理论,但未能通过直接观测加以证实)。科学家得以直接目击正在施展的宇宙炼金术。

    “我认为,这一发现的科学影响实际上要超过首次探测到黑洞碰撞所发出的引力波。”同样来自雪城大学的ligo科学合作组织成员邓肯·布朗(duncan brown)说,“这其中涉及的物理学和天文学要多得多。”

    这一切都始于世界各地科学家在群星之间展开的一场寻宝活动。

    8月17日上午8时41分,ligo探测到有引力波穿过了地球,这些波能够引起时空的扭曲。ligo由两个l型的天文台组成,它们分别被埋设在美国华盛顿州和路易斯安那州的地下。当引力波短暂地挤压或拉伸我们周围的时空时,ligo能够捕捉到它们的信号。在过去的两年中,ligo曾数次探测到黑洞碰撞所产生的引力波。

    不过,这次探测到的事件有很大的不同。

    一方面,这次的信号要比之前探测到的强得多,表明事件发生地距离地球更近。此外,信号足足持续了100秒,而黑洞碰撞的信号只有几秒钟。

    当ligo探测到引力波后,它自动向世界各地的数百位科学家发出了提醒,布朗就是其中之一。“我们很快就进行了联络,然后意识到这是一个非常‘响亮’的引力波信号,这让我们兴奋不已。”他说道。

    科学家很快搞清楚:这一次不是黑洞并合。初步的分析显示,这次的引力波是由两颗中子星相互碰撞产生的——中子星是一种奇怪的致密天体,科学家认为它们是制造重元素的熔炉。

    当ligo探测到黑洞碰撞产生的引力波时,星空中看不到任何东西。顾名思义,黑洞是无法被看到的。但中子星碰撞呢?那应该放出一些能够被看到的“焰火”。

    在引力波被探测到的那一天,科学家立刻从其他渠道得到了一些预示重大事件正在发生的线索。就在ligo探测到引力波的两秒钟后,美国宇航局(nasa)的费米伽玛射线空间望远镜(fgst)探测到了一场伽马射线暴,这是宇宙中已知最强烈的能量爆发之一。

    长期以来的理论认为,中子星并合会制造伽马射线暴。科学家判断这不可能是巧合。

    但是,中子星并合事件的光学观测窗口期非常短。所以,ligo合作组织的科学家突然感受到巨大压力,促使他们迅速展开行动。“越早能调动天文望远镜对目标展开观测,能获取到的信息也就越多。”布朗如是说。研究那些光线及其变化情况,科学家将能掌握关于中子星以及它们碰撞会如何转化物质的大量信息。

    布朗及其团队投入到紧张的工作当中,他们跟世界各地的数十位科学家召开了视频会议。ligo团队和virgo团队(virgo是位于意大利的引力波观测站)拼命赶制出一幅星图,展示了引力波源的位置。他们把范围缩小到星空中的一片区域,大致相当于你把手臂伸向星空时拳头的大小(即便如此,那在天文学上也是一片庞大的区域,一臂之外针头那么大的地方可能就包含着数千个星系)。意大利的virgo其实没有探测到信号,但正是这一点对校正位置起到了帮助作用。virgo知道盲点在哪里,所以中子星必定在其中一个盲点的附近。

    以下就是结合fgst、ligo、virgo以及另一个伽马射线探测器integral所得数据制作的星图,每个探测器都得出了信号源的潜在位置区域,而它们重叠的地方就是这场宇宙寻宝的“藏宝处”。

    有了星图在手,ligo团队向一个全球性的天文学家网络发出了电邮提醒,让他们在夜幕降临后对星空的那片区域进行观测。

    找到了!数个地面天文台在那一夜确定了“千倍新星”(kilonova)的位置,也就是在两颗中子星并合后发生的爆炸。在下面的左图中,你可以看到天文学家在发现之夜观测到的千倍新星,右图则是几天之后它看上去的样子,其光线已经暗淡了许多。

    以下是千倍新星爆炸前(下图)和爆炸后(上图)的对比图。

    这些图像可能有些模糊,但蕴含了大量信息。

    有了准确的坐标,科学家可以将哈勃太空望远镜和钱德拉x射线天文台对准千倍新星。依靠这些仪器,科学家能够目睹创造过程的一小部分。

    中子星是一种非常奇特的天体。它们是恒星坍缩(亦即超新星爆发后)的遗物,密度极高。想象一下,有一个天体的质量与太阳相同,但直径仅为20多公里,这相当于把质量是地球33.3万倍的物质挤压成普通小岛那么大的一个球体。其内部的压力是如此之大,以至于里面只有中子。

    在1.3亿光年外的一个星系中,两颗中子星在轨道上围绕彼此运行,它们之间的距离越来越近。每个中子星的密度是如此之高,产生的引力是如此之大,导致对方出现潮汐隆起现象。最终二者撞在了一起,撞击产生的能量制造出了扭曲时空的波浪,并且向太空喷发出大量粒子(这是和引力波一起探测到的伽马射线暴)。引力波和伽马射线以光速的速度传播,这是爱因斯坦广义相对论的又一个证据。可能中子星的质量够大,合并后足以形成一个新的黑洞。但还没有充分的证据来下结论。

    不过,有证据证明:在爆炸后,剩余的很多中子结合在一起,形成各种元素。

    我们所有人,以及地球上的所有元素,都起源于恒星。宇宙大爆炸创造了氢和氦等非常轻的元素。这些元素结合形成恒星,而恒星的聚变反应又形成了质量越来越大的元素。

    当恒星变成超新星(坍缩和爆炸)时,更重的元素出现了。但布朗解释说:“黄金和铂金来自哪里?这长期以来都是未解之谜。”就算是超新星也不足以产生这些元素。

    曾有理论认为,千倍新星(两颗中子星合并后爆炸)可以。由于天文学家这次能够迅速定位这次中子星合并事件,因此他们证明了这一点。通过探测爆炸余晖的光谱,证实了黄金和铂金的诞生。这就像亲眼目睹炼金术。

    “地球上的黄金是在双中子星合并的核火焰中炼就的。”布朗说,“我现在戴着一枚婚戒,是铂金制成的。我非常喜欢,这是中子星相撞的产物。”

    右边是中子星物质的效果图,左边是碰撞周围的扭曲时空

    这一发现令人兴奋不已,因为它意味着我们真正迎来了天文学的新纪元。它意味着科学家不仅可以研究天体发出的光和辐射,还可以把这些研究和引力波数据结合起来。

    它意味着科学家拥有这种碰撞的全面数据,包括两颗中子星围绕彼此运行的数据、撞击时的数据和撞击后的数据。把所有这些数据源结合起来,就是“多信使”天文学。这是ligo科学家自从该天文台建立以来就一直怀揣的梦想。

    ligo天体物理学家维基·卡洛杰拉(vicky kalogera)说:“想象一下,我们住在一个没有窗户的房间,只能听到雷声,却看不到闪电。再想象一下,我们身处一个有窗户的房间,不仅能听到雷声,还能看到闪电。看见闪电使我们有了一个研究雷暴天气和了解背后真相的新机会。”

    引力波是雷声,望远镜观测到的爆炸就是闪电。

    几周前,ligo的三位创始成员因为他们的开创性努力而荣获诺贝尔物理学奖。最近的结果显示,这项科学研究得奖是实至名归。

    引力波观测的一个有趣之处在于,它是守株待兔。ligo和virgo“聆听”碰巧经过地球的任何引力波。每次探测都开启了自己的寻宝之旅,科学家必须弄明白是什么造成了时空中的涟漪。

    科学家希望观测到更多的黑洞合并,更多的中子星合并。但也可能观测到更奇特、更炫酷的现象。如果ligo和virgo继续升级改进,它们也许会发现,宇宙大爆炸产生的引力波至今仍在宇宙中回荡。或者,更加激动人心的是,它们也许会发现出乎意料或者从未被观测到的引力波来源。

    “人类首次登月的时候,我还没有出生。这让我有点遗憾。” 路易斯安那州立大学物理学家、ligo科学合作组织成员托马斯·科比特(thomas corbitt)说,“引力波的发现证明,人们共同努力可以取得巨大的成就。看到像这样的事情,实在是鼓舞人心,并促进了我们对宇宙的了解。”

    翻译:何无鱼 于波

    来源:vox

    独家深度解读获得诺贝尔奖的引力波,全人类将迎来历史新起点?

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