新華社訊 多國(guó)天文學(xué)家16日宣布首次直接探測(cè)到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號(hào)。這是人類(lèi)歷史上第一次實(shí)現(xiàn)引力波的多信使觀(guān)測(cè)，為認(rèn)識(shí)宇宙提供了電磁天文學(xué)單獨(dú)所不能實(shí)現(xiàn)的新機(jī)會(huì)。
去年2月，在華盛頓舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，顯示屏展現(xiàn)出科學(xué)家們捕捉到的引力波信號(hào)圖像。
那么，中子星引力波怎么探測(cè)?為什么重要?解答了哪些疑問(wèn)?還存在哪些問(wèn)題?新華社記者就此采訪(fǎng)了有關(guān)科學(xué)家。
[險(xiǎn)些錯(cuò)過(guò)]
引力波由黑洞等天體在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生，可把它想象成石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋。100多年前，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，但直到2015年才首次獲得證實(shí)。
8月17日，美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)捕捉到這次的中子星引力波信號(hào)。LIGO有兩個(gè)探測(cè)器，分別建在相距3000公里的路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市。
美國(guó)路易斯安那州利文斯頓市的激光干涉引力波天文臺(tái)的資料照片。
有意思的是，由于噪聲污染，LIGO軟件系統(tǒng)起初并沒(méi)有在利文斯頓探測(cè)器的數(shù)據(jù)中檢測(cè)到信號(hào)，差點(diǎn)讓我們與這次重大發(fā)現(xiàn)失之交臂。幸運(yùn)的是，利文斯頓探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)足夠清晰，促使軟件快速確認(rèn)這是一個(gè)引力波信號(hào)，并命名為GW170817。
僅僅在LIGO觀(guān)測(cè)到引力波信號(hào)后的1.7秒，美國(guó)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到名為GRB170817A的伽馬射線(xiàn)暴?！百M(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡幾乎在同一時(shí)間觀(guān)測(cè)到伽馬射線(xiàn)暴，讓我們更加興奮，也更有緊迫感，”加州理工學(xué)院LIGO數(shù)據(jù)分析小組負(fù)責(zé)人艾倫·溫斯坦教授回憶說(shuō)。
LIGO和費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡在遇到強(qiáng)信號(hào)時(shí)，會(huì)自動(dòng)向天文界發(fā)送警報(bào)。這是一場(chǎng)與時(shí)間的賽跑，世界范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡后續(xù)觀(guān)測(cè)隨即啟動(dòng)。大約11個(gè)小時(shí)后，位于智利的斯沃普望遠(yuǎn)鏡率先觀(guān)測(cè)到此次信號(hào)的光學(xué)對(duì)應(yīng)物——位于名為NGC4993星系的雙中子星系統(tǒng)。
[三個(gè)第一]
為什么中子星引力波引起天文界震動(dòng)?專(zhuān)家們說(shuō)，主要原因有三個(gè)。
首先，第一次探測(cè)到雙中子星合并。LIGO項(xiàng)目組成員、美利堅(jiān)大學(xué)天體物理學(xué)家格雷戈里·哈里告訴新華社記者，此前觀(guān)測(cè)到的引力波均來(lái)自黑洞。黑洞完全由扭曲時(shí)空構(gòu)成，本質(zhì)上沒(méi)有物質(zhì)，而中子星卻是一個(gè)切實(shí)星體，觀(guān)測(cè)兩個(gè)中子星合并與觀(guān)測(cè)兩個(gè)原子核合并“并沒(méi)有什么不同”，因此能深入了解核物質(zhì)的行為。
LIGO的技術(shù)人員正在美國(guó)路易斯安那州利文斯頓市的引力波探測(cè)器實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作。
哈里說(shuō)，中子星引力波可以用來(lái)直接測(cè)量到源的距離，而相應(yīng)的電磁信號(hào)給出了速度，由此可用來(lái)校準(zhǔn)宇宙膨脹速度，即所謂哈勃常數(shù)，從而進(jìn)一步回答宇宙從哪里來(lái)、又往哪里去等重大問(wèn)題。
其次，第一次同時(shí)觀(guān)測(cè)到來(lái)自同一個(gè)天文事件的引力波和電磁波。通過(guò)X光、紫外、可見(jiàn)光、紅外及射電波的觀(guān)測(cè)，使得確認(rèn)宿主星系成為可能，并第一次提供一副關(guān)于包含中子星的雙星合并后的完整物理圖景。這一事件展示了引力波與電磁波等不同研究團(tuán)隊(duì)之間開(kāi)展合作的重要性，也標(biāo)志著多信使天文學(xué)跨入新時(shí)代。
“我想說(shuō)的是，這是第一次我們既能‘看到’也能‘聽(tīng)到’一個(gè)天文事件，這些不同的‘感官’體驗(yàn)將能給我們很多信息，”哈里說(shuō)，“引力波天文學(xué)才剛剛開(kāi)始，隨著21世紀(jì)科技向前發(fā)展，我們可以期待引力波觀(guān)測(cè)將為宇宙學(xué)、天文學(xué)、天體物理學(xué)、核物理學(xué)和引力學(xué)以及其他領(lǐng)域帶來(lái)更多見(jiàn)解?！?/p>
第三，地面紅外望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了中子俘獲過(guò)程，從而首次提供確鑿證據(jù)證實(shí)中子星合并就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源，而之前天文學(xué)家只是推測(cè)。
去年2月，LIGO聯(lián)合創(chuàng)辦者基普·索恩(右)與雷納·韋斯(中)出席在華盛頓舉行的新聞發(fā)布會(huì)。
南非夸祖盧-納塔爾大學(xué)的引力波研究專(zhuān)家馬寅哲在發(fā)給記者的電子郵件中開(kāi)玩笑說(shuō)：“如果有人問(wèn)戴金戒指的女性朋友，她的金戒指從哪兒來(lái)?她應(yīng)該說(shuō)，這是從銀河系中的合并中子星那里產(chǎn)生的?！?/p>
[未解之謎]
中子星是目前已知最小、最致密的恒星，由大質(zhì)量恒星在生命最后階段經(jīng)過(guò)超新星爆發(fā)形成，與太陽(yáng)同質(zhì)量的中子星直徑只有20千米，一小勺中子星物質(zhì)的質(zhì)量可達(dá)10億噸。由于強(qiáng)引力，中子星的表面十分光滑，最高的山也只有幾毫米高。由于中子星在宇宙中很常見(jiàn)，天文學(xué)家一直期待著發(fā)現(xiàn)雙中子星合并的引力波信號(hào)。
哈里說(shuō)，如果沒(méi)有引力波研究，中子星的許多性質(zhì)都將是長(zhǎng)期懸而未解的謎，包括在強(qiáng)引力作用下怎么彎曲變形、合并時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況、質(zhì)量多大時(shí)會(huì)形成黑洞等。
去年2月，LIGO執(zhí)行主任戴維·賴(lài)茨向媒體展示兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)圖像。
“GW170817不能回答所有這些問(wèn)題，但它給我們提供了以前沒(méi)有的信息，并且表明引力波觀(guān)測(cè)是解答這些問(wèn)題的一個(gè)切實(shí)可行的方法，”哈里說(shuō)。
他指出，迄今探測(cè)到的5次引力波信號(hào)都與愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論完全吻合，但廣義相對(duì)論卻與量子力學(xué)不相容，因此一些觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為廣義相對(duì)論需要修正，諸如GW170817等事件是少數(shù)能在引力極限情況下驗(yàn)證廣義相對(duì)論的辦法之一。
“到目前為止，我們還沒(méi)有獲得任何新線(xiàn)索，愛(ài)因斯坦的理論也許正確描述了我們的宇宙，無(wú)需任何修改或增加內(nèi)容，”哈里說(shuō)，“但我們還有可能觀(guān)測(cè)到更強(qiáng)、更清晰的信號(hào)，那也許能向我們展示愛(ài)因斯坦引力理論所不能解釋的東西?！?/p>
具體到這次事件，雙中子星合并之后變成了什么，依然沒(méi)有答案。科學(xué)家列出了兩種可能性，一種是變成了非常大質(zhì)量的中子星，另一種是變成了黑洞。但不管是什么，它的質(zhì)量大約相當(dāng)于2.74個(gè)太陽(yáng)。
責(zé)編:朱曦東
