人类首次直接探测到引力波来自中子星合并

时间:2017-10-18 12:53:24
来源:微科普
作者:微科普国际频道
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人类首次直接探测到引力波来自中子星合并, 北京时间10月16日,LIGO的科学家大卫·莱兹(David Reitze)宣布,激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现了一种前所未

 北京时间10月16日,LIGO的科学家大卫·莱兹(David Reitze)宣布,激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现了一种前所未有的新型引力波事件!由两个质量分别为1.15和1.6个太阳质量的双中子星并合所产生,根据探测日期确定编号为GW170817,距离我们1.3亿光年。此外,在全世界众多天文学家及探测设备的协同努力之下,还发现了该引力波事件的电磁对应体。包括我国在内的多国科学家联合宣布,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,同时探测到由这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。我国包括南极巡天望远镜AST3-2、国内第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜在内的多台设备参与观测引力波事件。

人类第一次直接探测到引力波来自中子星合并

科学界也断定,中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源。

观测引力波的技术和联动机制成熟,是否意味着我们会探测到更多引力波?
 
去年科学家探测到了来自太空的引力波,引力波本质上是空间的波动。我们知道向水面扔一块石子进去,水面就会有波动。空间在爱因斯坦的相对论里是可以弯曲的,比如说在空间里存在一个黑洞,那么黑洞周围的空间就是扭曲的。那么如果有两个黑洞在这个空间里,它们彼此快速旋转,其周围的空间一定是不断地快速变化,随着时间产生不同的弯曲形式,这样不断变化空间的形变就会向远处传播开去。就好比我们如果只是在水里静静的放一块石头,水面是不会有变化的,如果把石块扔进去,就会产生可以向远处传播的涟漪。
 
那么,当引力波传播到地球上时,就会微微地弯曲地球上的空间,这种弯曲的形式是先向一个方向挤压,然后往另一个方向拉伸,这样的话就会出现这样的情况:比如两个互相垂直的尺子,其中一个会变得扁一些,另外一个会变的长一些。实际上引力波探测器就是利用这样的原理去探测引力波。美国的LIGO探测器实际上是有两束相互垂直的激光束,可以测量两点之间的距离。原本两点之间的距离应该是一样的,那么当引力波传过来时,一个方向的距离和另一个方向的距离就会发生变化,通过这种变化就知道地球的空间被微微地弯曲了,从而得知有一个引力波从地球上经过了。”
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。 
    
短时标伽马射线暴、伽玛暴余辉和千新星都是什么?让我们一一说来。 
    
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。 
    
根据目前的理解,无论是大质量恒星坍缩形成的长时标伽玛暴,还是双致密星产生的短时标伽玛暴,尽管中心天体会有差别(或者是黑洞,或者是转动极快的磁星),伽玛暴的产生机制以及之后的演化都可以用一个被称为“火球”模型(fireball model)的理论来解释。在这个理论中,中心天体会在一段时间内,产生相对持续的极端相对论喷流,这就意味着,这些喷出物质会以接近光速速度,沿着天体的转轴方向向外运动。因为喷射出去的物质之间存在着速度上的微小差别,导致它们彼此发生碰撞,将自身运动的动能转化为气体粒子的热能,而后在磁场作用下产生我们所看到的高能辐射,也就是早期的伽马射线,这就很好地解释了我们所看到的伽玛暴。大质量恒星产生的喷流时间长,双中子星合并产生的喷流时间短,从而导致了我们观测上的差别。 
    
这些星体周围存在着星际气体介质,喷流物质在停止相互碰撞之后会继续向外运动,与周围的气体介质发生相互作用,把自身运动的能量传递给周围的星际气体,星际气体被加热从而产生较强的辐射,这就是所谓的伽玛暴余辉。它的能谱(energy spectrum)波段会从X射线一直延伸到射电波段。在一定程度上,余辉的强弱与周围星际气体的密度相关,密度更高,余辉也就更亮。 
    
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。
 
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,但是这一天文发现是具有里程碑意义的。 

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 北京时间10月16日,LIGO的科学家大卫·莱兹(David Reitze)宣布,激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现了一种前所未有的新型引力波事件!由两个质量分别为1.15和1.6个太阳质量的双中子星并合所产生,根据探测日期确定编号为GW170817,距离我们1.3亿光年。此外,在全世界众多天文学家及探测设备的协同努力之下,还发现了该引力波事件的电磁对应体。包括我国在内的多国科学家联合宣布,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,同时探测到由这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。我国包括南极巡天望远镜AST3-2、国内第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜在内的多台设备参与观测引力波事件。

人类第一次直接探测到引力波来自中子星合并

科学界也断定,中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源。

观测引力波的技术和联动机制成熟,是否意味着我们会探测到更多引力波?
 
去年科学家探测到了来自太空的引力波,引力波本质上是空间的波动。我们知道向水面扔一块石子进去,水面就会有波动。空间在爱因斯坦的相对论里是可以弯曲的,比如说在空间里存在一个黑洞,那么黑洞周围的空间就是扭曲的。那么如果有两个黑洞在这个空间里,它们彼此快速旋转,其周围的空间一定是不断地快速变化,随着时间产生不同的弯曲形式,这样不断变化空间的形变就会向远处传播开去。就好比我们如果只是在水里静静的放一块石头,水面是不会有变化的,如果把石块扔进去,就会产生可以向远处传播的涟漪。
 
那么,当引力波传播到地球上时,就会微微地弯曲地球上的空间,这种弯曲的形式是先向一个方向挤压,然后往另一个方向拉伸,这样的话就会出现这样的情况:比如两个互相垂直的尺子,其中一个会变得扁一些,另外一个会变的长一些。实际上引力波探测器就是利用这样的原理去探测引力波。美国的LIGO探测器实际上是有两束相互垂直的激光束,可以测量两点之间的距离。原本两点之间的距离应该是一样的,那么当引力波传过来时,一个方向的距离和另一个方向的距离就会发生变化,通过这种变化就知道地球的空间被微微地弯曲了,从而得知有一个引力波从地球上经过了。”
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。 
    
短时标伽马射线暴、伽玛暴余辉和千新星都是什么?让我们一一说来。 
    
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。 
    
根据目前的理解,无论是大质量恒星坍缩形成的长时标伽玛暴,还是双致密星产生的短时标伽玛暴,尽管中心天体会有差别(或者是黑洞,或者是转动极快的磁星),伽玛暴的产生机制以及之后的演化都可以用一个被称为“火球”模型(fireball model)的理论来解释。在这个理论中,中心天体会在一段时间内,产生相对持续的极端相对论喷流,这就意味着,这些喷出物质会以接近光速速度,沿着天体的转轴方向向外运动。因为喷射出去的物质之间存在着速度上的微小差别,导致它们彼此发生碰撞,将自身运动的动能转化为气体粒子的热能,而后在磁场作用下产生我们所看到的高能辐射,也就是早期的伽马射线,这就很好地解释了我们所看到的伽玛暴。大质量恒星产生的喷流时间长,双中子星合并产生的喷流时间短,从而导致了我们观测上的差别。 
    
这些星体周围存在着星际气体介质,喷流物质在停止相互碰撞之后会继续向外运动,与周围的气体介质发生相互作用,把自身运动的能量传递给周围的星际气体,星际气体被加热从而产生较强的辐射,这就是所谓的伽玛暴余辉。它的能谱(energy spectrum)波段会从X射线一直延伸到射电波段。在一定程度上,余辉的强弱与周围星际气体的密度相关,密度更高,余辉也就更亮。 
    
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。
 
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,但是这一天文发现是具有里程碑意义的。 
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