引力波科学家又“搞”了个大新闻

2017-10-19 09:14 产业观察   来源:科技日报

导读引力波信号的直接探测为人类开启了一个认识宇宙的全新窗口,它必然在二十一世纪掀起一场认识宇宙以及基础物理的革命。然而,引力波信号自身存在一定缺陷,比如信号十分微弱,信号源的定位误差非常大,单纯地利用引力波探测无法确认信号究竟是来自地球附近,还是来自银河系内,又或者来自银河系外。  

继三位科学家捧走2017年诺贝尔物理学奖后,引力波科学家又“搞”了个大新闻。北京时间10月16日晚10点,激光干涉引力波天文台(LIGO)和处女座(Virgo)引力波探测器合作组织联合召开发布会,宣布接收到来自1.3亿光年外星系NGC4993的引力波信号。更令人激动的是,引力波信号很有可能来自两颗并合的中子星,随后科学家观测到了并合产生的伽马射线暴、光学辐射以及巨新星现象,对这次双中子星合并实现了“引力波+电磁波”的联合观测。

作为一名围观群众,人们往往会感叹如此微弱的涟漪在浩瀚的宇宙中传播了数亿年竟然能被人类所捕获,科学家们用一生的努力做赌注,去挑战连爱因斯坦本人都不敢想象的探测极限,并最终挑战成功捧走了“大奖”。但如果问工作在一线的引力波专家们,甚至包括获得今年诺奖的三位科学家,2017年最值得兴奋的事是什么?是“诺奖”吗?我想答案多半是否定的。2017年最震动引力波研究领域的事情应该是,2017年8月17日人类第一次探测到双中子星并合所产生的引力波,并同时探测到了和该引力波成协的电磁波对应体!

真正开启引力波天文学大门

引力波信号的直接探测为人类开启了一个认识宇宙的全新窗口,它必然在二十一世纪掀起一场认识宇宙以及基础物理的革命。然而,引力波信号自身存在一定缺陷,比如信号十分微弱,信号源的定位误差非常大,单纯地利用引力波探测无法确认信号究竟是来自地球附近,还是来自银河系内,又或者来自银河系外。再加上目前探测到的引力波信号都是暂现源,通俗地说就是一次性的,无法重复观测,因此如果没有其他信息的联合探测,那么引力波的探测就仅仅是引力波探测合作组的一家之言。极端来讲,这种情况下如果所有的引力波学家联合起来,统一口径,那么谁又知道站在我们面前的是“鹿”还是“马”呢?

天文学家自然不会同意这种情况的出现。他们指出,目前能够探测到的引力波事件都对应着黑洞、中子星等致密星体的并合。这种灾变性的事件应该通过多种渠道向外释放能量,引力波是一种,电磁波也应该是一种。

天文学发展至今,电磁波段是发展最完善、理论研究最透彻的观测窗口,也是现有探测手段与探测仪器最丰富的窗口。只有实现了引力波电磁波的联合探测,我们才可以证认引力波源的天体物理起源,并对其天体物理性质,如引力波源的距离,引力波源所在的星系类型等开展进一步的研究,并揭示物理过程的更多本质。最后,通过对比引力波电磁波信号到达时间差等,可以检验爱因斯坦等效原理、广义相对论等重要物理学原理,等等。从引力波天文学的角度上讲,引力波事件电磁对应体的观测研究意义可相比于引力波信号的直接探测。换句话说,只有实现“引力波+电磁波”的联合探测,才是真正意义上开启了引力波天文学的大门。

期待中的电磁对应体

引力波究竟是否存在电磁对应体?电磁对应体又可能是哪些呢?这个问题其实早在LIGO刚刚开始建设的时候,就成为天文学研究中的一个热门话题。

地面引力波探测器主要探测目标是恒星级致密星体的并合,即双黑洞并合、双中子星并合以及中子星和黑洞并合。理论上通常认为,双黑洞周围很难有物质存在,因此双黑洞并合不会产生可探测的电磁对应体。但是就在LIGO探测到第一例双黑洞并合引力波事件后不久,美国的费米(Fermi)卫星宣称探测到了一个疑似的电磁对应体。由于其他望远镜都没有探测到这个源,而且Fermi公布的信号太弱了,所以很多研究小组都在质疑这个对应体的真实性。不过有趣的是,这个事件引发了理论家的思考,人们提出了多种可能的双黑洞并合产生明亮电磁辐射的模型。这些模型都等待着未来观测数据的检验。不过迄今为止观测到的4例双黑洞并合引力波事件,都没有被探测到电磁对应体。

对于双中子星并合以及中子星与黑洞并合,由于中子星本身携带大量的物质,因此人们认为这两种并合现象会产生多种明亮的电磁辐射信号。具体说来,在并合的过程中,中子星会被撕裂,一小部分物质由于离心力被甩了出去,而大部分物质会向中心沉降并形成一个新的中心天体,比如黑洞或中子星。

中心天体形成后,当继续有物质掉落到中心天体的引力范围内,引力能的释放会诱发产生喷流。它沿着新中心天体转动轴方向喷射而出,速度接近光速。由于能量耗散,喷流会产生从伽马射线到X射线、紫外、光学、红外乃至射电的多波段电磁波辐射,这被称作伽马暴及其余辉辐射。由于相对论效应,当我们的视线方向恰好在喷流的夹角内时,这些信号才会被探测到。

另一方面,由于那一小部分被甩出去的物质以自由中子为主,其内部会产生激烈的核反应过程。这一小部分物质会被迅速加热并产生热辐射,其辐射波段集中在红外和光学波段,大约在天或周的时间尺度上达到辐射峰值。这种辐射被称为巨新星辐射,几乎从各个方向都能被探测到,因此成为最被期待的引力波电磁对应体。

望远镜“组团”展开搜索

应该如何去探测引力波电磁对应体呢?有人可能会说,这些信号不是都被理论学家计算好了嘛,那就按图索骥呗?错!我们要当作完全不知道电磁对应体长成什么样子来搜寻。因为在没有被探测到之前,谁知道这些被预言的信号是真实存在的,还是仅仅活在理论学家的脑子里呢?

引力波电磁对应体的搜索有两种途径,一种是电磁波望远镜单独对尽可能大的天空进行实时监测,并记录下所有的暂现源的开始时间和位置,通过与引力波事件的时间和位置的对比,找出引力波电磁对应体。另一种是当引力波探测器探测到引力波信号后,快速通知给电磁波望远镜,并提供一个大致的位置范围,望远镜通过对这个位置范围进行逐点扫描。由于并不知道真实的电磁对应体会出现在什么时候、什么波段,因此两种方法都要求参与的望远镜足够多,波段足够宽,这样才有可能实现对引力波定位误差范围的覆盖。目前已经有90多个科研机构的超过100多个望远镜和引力波合作组签署了合作协议,随时待命开展电磁对应体的搜索。

第一种方法,要求望远镜一次性能够监测的天空范围越大越好,最好是全天监测,这样只要有对应体出现,就一定能被逮到。目前大监测视场的望远镜多是探测伽马射线或硬X射线的高能望远镜,这次GW170817的第一个电磁信号就是在引力波触发2秒之后,由美国Fermi卫星通过这种方法探测到的短伽马射线暴信号。这一发现不仅证实了引力波信号的天体物理起源,同时也揭示了困扰天体物理研究领域几十年的短伽马射线暴起源之谜。

对第二种方法,100多个望远镜是远远不够的,因为引力波探测器给出的误差范围相对于电磁波望远镜,尤其是光学望远镜来说太大了。聪明的科学家们提出可以通过建立完备的星系列表,只针对引力波定位范围内的星系,分工进行观测。不过随着距离的增加,星系个数会急剧上升,因此这种方法只针对很近的引力波源才有作用。幸运的是,LIGO探测到的第一个双中子星并合信号GW170817离我们很近,人们利用第一种方法真的在红外与光学波段找到了理论家预言的巨新星信号。

由此,理论家预言的电磁波信号几乎全部被找到。有理由期待,在这样一个全新的引力波天文学时代,人类对未知的探索将迈上一个更高的阶梯!

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