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FAST为何未观察引力波:事发南天 中国朝北天

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  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,合并历程当中会有部门物质以靠近光速或远低于光速的速率被抛射出去,从而发生我们看到的种种电磁征象——短时标伽马射线暴(简称伽玛暴)、伽玛暴余辉和千新星。靠近光速运动的物质发生了费米卫星看到的伽玛暴,而低速运动的物质发生了千新星,被许多的光学/红外望远镜捕捉到。

  凭据现在的明白,无论是大质量恒星坍缩形成的长时标伽玛暴,照旧双致密星发生的短时标伽玛暴,只管中央天体会有差异(或者是黑洞,或者是转动极快的磁星),伽玛暴的发生机制以及之后的演化都可以用一个被称为“火球”模子(fireball model)的理论来诠释。在这个理论中,中央天体会在一段时间内,发生相对连续的极端相对论喷流,这就意味着,这些喷出物质会以靠近光速速率,沿着天体的转轴偏向向外运动。由于喷射出去的物质之间存在着速率上的细小差异,导致它们相互发生碰撞,将自身运动的动能转化为气体粒子的热能,尔后在磁场作用下发生我们所看到的高能辐射,也就是早期的伽马射线,这就很好地诠释了我们所看到的伽玛暴。大质量恒星发生的喷流时间长,双中子星合并发生的喷流时间短,从而导致了我们观察上的差异。

  在接下来的几个星期之内,天文学家动用了天下上最为先进的一些望远镜,好比钱德拉X射线空间望远镜(Chandra X-ray Telescope),哈勃空间望远镜,位于智利、口径到达8.4米的甚大望远镜(Very Large Telescope),另有亚毫米波段敏捷度最高的阿塔卡马大型毫米波阵ALMA等等,对该区域开展了紧锣密鼓的观察。这些观察对这一灾变性事务提供了从并合前约100秒到并合后数星期的周全形貌,最终证实了科学家的许多料想:NGC4993星系中的两其中子星并合,发生了引力波、短伽玛暴暴和千新星。

  2017年8月17日,漫衍在全球各地的天文学家们获得了一个新闻,LIGO和Virgo探测器探测到了一个连续时间为100秒左右的新引力波信号,其形式与两其中子星的并合相一致。在该引力波信号到达后约莫1.7秒,NASA费米卫星搭载的伽玛暴监测器(GBM)和欧洲INTEGRAL望远镜搭载的SPI-ACS探测器均探测到了一个暗弱的短时标伽马射线暴,并将其命名为GRB170817A。由于二者时间和空间的一致性,被以为与引力波事务成协(“成协”指两种征象是相关的)。

  对于伽玛暴而言,在上世纪末BeppoSAX卫星在轨事情时代,网络已经兴起,NASA建设了一个伽玛射线暴协调网络(Gamma-ray Coordinates Network, GCN)的邮件系统;一旦某个卫星探测到伽玛暴信号,将会以最快速率把伽玛暴的位置信息发送到此系统中,通常订阅了该邮件系统的人都能够即时收到提醒,以便开展可能的观察。此次费米观察正是使用此系统,将观察信息以最快的速率通知给了全球的许多组织,随后才有众多望远镜纷纷加入观察。固然,对于LIGO/VIRGO组织而言,为了保证其可能的后续观察,他们与全球近70个观察组织(中国有快要10个组织)签署了备忘录条约,一旦引力波信号被探测到,也会通过其特有的渠道通报相关信息。

双中子星旋近,最终合并发生千新星的历程双中子星旋近,最终合并发生千新星的历程

  由于发生引力波的天体完全差别,以是我们观察到的引力波形会存在较大差异。中子星的质量相较于黑洞要小许多,合并历程中对于时空的扰动变形水平更弱,以是,在现在探测器敏捷度确定的情形下,我们只可能探测到比力邻近的引力波信号。这次的引力波源距离我们1.3亿光年,是现在探测到的所有引力波源中最近的一例。通过波形的拟合,科学家们确定了两其中子星的质量划分约莫是1.15和1.6个太阳质量,合并后的天体质量约为2.74个太阳质量,抛射出去的仅有0.01个太阳质量。

  除此之外,电磁信号和引力波信号的联合对于天文学理论自己有何促进意义呢?一方面,科学家可以通过这两个信号到达的时间差,来磨练爱因斯坦的弱等效原理,这是爱因斯坦广义相对论和其它引力理论的基石,爱因斯坦的理论再一次通过了磨练。

  比双黑洞合并更美的双中子星合并

  此外,到现在为止,科学家对于中子星内部的组成和结构仍不是特殊清晰。而当两其中子星相互靠近但未合并之时,两其中子星会被相互的潮汐力拉扯严重变形,从而最终影响旋近的速率,也会影响发生的引力波波形。以是,科学家们希望,引力波和电磁波的团结观察能够对这些问题提供一部门珍贵的谜底。

  在9月尾的第四次引力波公布会上,姗姗来迟的VIRGO已使得LIGO探测器的空间定位规模从1160平方度缩短到100平方度,二者协同互助,将空间位置的准确性大大提升。若是进一步使用贝叶斯统计要领对所有可能参数举行估算,空间定位将进一步缩减至60平方度。这样一来,空间定位就足足提高了快要20倍。在这次的双中子星事务中,三个探测器最终将发生源定位于一个28平方度的规模之内。正因空间定位准确性大大提高,电磁波段所探测到的空间确认才成为了可能。

现在探测到的5次引力波空间定位比力图,黄色是最新的引力波GW170817确定的引力波源所在的区域。现在探测到的5次引力波空间定位比力图,黄色是最新的引力波GW170817确定的引力波源所在的区域。

  团结观察的另一个主要意义是快速反映。无论是费米观察到的伽玛暴,照旧LIGO/VIRGO看到的引力波,连续时间都很是短暂,以是需要其它天文台和观察者立刻对于可能区域举行后续的追踪观察,这就需要某个系统即时通知可能的位置信息。

  北京时间10月16日晚10点,一场长达两小时的新闻公布会在华府天下新闻俱乐部(National Press Club)召开,LIGO执行主任大卫·莱兹(David Reitze)宣布,激光干预干与引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现了一种亘古未有的新型引力波事务!由两个质量划分为1.15和1.6个太阳质量的双中子星并合所发生,凭据探测日期确定编号为GW170817,距离我们1.3亿光年。此外,在全天下众多天文学家及探测装备的协同起劲之下,还发现了该引力波事务的电磁对应体。

  是什么缘故原由导致了此种差异呢?通常而言,根据天体物理辐射的理论要求,要发生电磁辐射,天体周围必须要有气体的存在。对于黑洞系统而言,只管在最初发生时,黑洞周围可能有许多气体,然而在漫长的演化历程当中,若是没有更多气体泉源的话,在黑洞合并的最后阶段,气体已消耗完毕,以是无法发生电磁辐射,只能发生扰动时空的引力波——就像科学家前4次探测到的那样。

  很显着,引力波给出的数值误差很大。但可以预见的是,随着探测精度的提高(除LIGO/VIRGO之外,日本臂长为3公里的KAGRA探测器也最先测试,LIGO-India以及许多的第三代引力波探测器在企图之中)以及探测到的引力波源数目的增多,这个误差很快将获得革新。

  此次与引力波相关的伽玛暴属于短时标伽玛暴,由于费米卫星观察到的发作时标为0.7秒。除此之外,无论是引力波的效果照旧电磁波的观察拟合效果,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,与中子星的质量规模一致。

  在得知这一新闻之后,全天下各地的望远镜就最先了忙碌的观察。在不到11个小时之内,位于智利的Swope超新星巡天(SSS)望远镜首先在星系NGC4993中观察到了明亮的光学源,开端确以为其光学对应体,编号为AT2017gfo/SSS17a。在此之后,其他几个团队划分自力探测到了该光学源,从而加以确认。

  双中子星合并之后是发生了中子星,照旧发生了黑洞?现在依然无法确定。由于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,若是一个天体的质量凌驾3个太阳质量,通常会被以为是黑洞。而中子星的最大允许值并不明确,若是中子星的内部由中子组成,综合思量状态方程和转速,要想到达2.74个太阳质量不太可能。然而若是内部由其他的奇异物质(好比夸克)组成的话,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”。不外,现在所有观察都没能给出中子星和黑洞的临界质量,固然也没能给出夸克星存在的证据。从观察的角度而言,我们观察到的最重的中子星约莫是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,一片空缺,还未发现任何致密天体的质量属于这个规模。以是,对于此次双中子星合并发生的2.74个太阳质量的天体,只管我们还不能确定它到底是什么,可是这一发现填补了黑洞和中子星之间的空缺,为日后更多的天文发现掀起了帷幕的一角。

  正如公布会提到的,这次探测到的引力波是由双中子星合并而发生,之前宣布的4例引力波事务都是由双黑洞所发生。二者之间最大的差异就在于,双中子星合并会发生电磁波辐射,而对于黑洞而言,我们通常以为不会发生,这一点也获得了观察上的验证。

  不外幸运的是,中国有两台望远镜到场了此次观察,一个是位于南极Dome A的50厘米的南极光学巡天望远镜(AST3),项目的卖力人是紫金山天文台的王力帆研究员。在引力波源信息公布的约一天后,AST3望远镜开展了对于这个目的源的观察。而其时南极的冬天也刚刚已往,目的天体的地平高度较低,受于太阳的限制,天天差不多有2个小时左右的观察时间。此望远镜最终举行了10天的观察,最终获得了目的天体的光变曲线,与巨新星理论展望高度吻合。

  相较于来自普朗克卫星的数值:

元素起源表。黄色代表了并合中子星所发生的元素,我们常见的金银就是通过此历程发生的。元素起源表。黄色代表了并合中子星所发生的元素,我们常见的金银就是通过此历程发生的。

  之前科学家曾在短时标伽玛暴中探测到了3起疑似千新星事例,但只不外是在余辉的光变曲线当中看到了几个数据点而已。由于此次由于距离很近,而且伽玛暴余辉很弱,以是完全确认了千新星的存在。另外,通过对于其光变曲线演化的拟合可以推断,约莫有百分之一的物质在合并历程中被抛射出去。

(左)欧南台几个差别望远镜看到引力波源对应的光学图像。(右)哈勃望远镜在差别时间观察到的图像。  (左)欧南台几个差别望远镜看到引力波源对应的光学图像。(右)哈勃望远镜在差别时间观察到的图像。

  此次探测堪称全球协作的一次完善体现,不外,就像大卫·莱兹在公布会上所说,NASA费米卫星伽玛暴信号的探测使得此次LIGO探测大放色泽。只管引力波信号先于伽马射线信号发生,但有趣的是,NASA费米卫星发送的探测信号要早于LIGO团队的信号。缘故原由在于,NASA费米卫星的伽玛暴监视器在探测到伽玛暴信号GRB170817A之后,自动向GCN系统发送了相关警报。然而,LIGO的自动数据剖析就耗时约6分钟——科学家们先是在LIGO汉福德观察站险些统一时刻的数据中,找到了一个引力波事务候选体GW170817,发现此引力波早于GRB170817A两秒发生,LIGO-Virgo快速响应团队随后手动检查了数据,才向其签署互助协议的组织公布了警报。之后,科学家又进一步在欧洲INTEGRAL卫星的观察数据中确认了伽玛暴信号的存在。原来平庸无奇的伽玛暴信号,由于与一个很强的引力波候选体同时存在,一下子引起了整个天文界的观察兴趣,此天区也成为了一个热门的观察工具。

  这是人类历史上第一次同时探测到引力波及其电磁对应体,将成为引力波天文学上另外一个很是主要的里程碑。此次探测为我们解答了一些疑惑,同时也提出了更多问题,与历史上所有天文发现一样,是人类好奇心的胜利与新起点。在多信使引力波天文学时代的帷幕由此拉开之后,我们信赖,在人类团结协作的气力之下,更多的宇宙秘密将被逐一揭晓。

  另外,引力波信号和电磁信号相联合,可以对宇宙学的一些最基本参数做出限制,好比用来形貌宇宙膨胀快慢的哈勃常数。通过引力波的振幅比对可以推断出系统到我们的光度距离,通过电磁波段的光谱剖析,我们便可以知道这一系统的红移;在给定两者的情形之下,我们便能够推算出哈勃常数的数值了:

(左)南极巡天望远镜AST3; (右)硬X射线调制望远镜。(左)南极巡天望远镜AST3; (右)硬X射线调制望远镜。

责任编辑:张建利

  等等,短时标伽马射线暴、伽玛暴余辉和千新星都是什么?让我们逐一说来。

  原题目:为何FAST未观察此次中子星合并:事发南天,中国朝北天

  这些星体周围存在着星际气体介质,喷流物质在制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,把自身运动的能量通报给周围的星际气体,星际气体被加热从而发生较强的辐射,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。在一定水平上,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。

  每一个光点亮起,都是某个望远镜举手表现:看到!

  此前,无论是对于中子星自己,照旧双中子星合并发生的伽玛暴,我们另有许多的疑难问题有待解答。双中子星合并之后,发生的是转速更快的中子星照旧黑洞?有几多物质会在发作中被抛射出去?喷流的机制和喷流的夹角是怎样的?我们都还不能确定。

  2016年头,大卫·莱兹曾站在这统一个地方,宣布人类首次探测到了引力波——那时间我们说,多信使天文学新纪元即将开启。在这一次GW170817的探测中,人类首次同时探测到了引力波及其电磁对应体,这可以被视作引力波多信使天文学纪元真正意义上的劈头,在天文学生长史上有着划时代的重大意义。另一方面,双中子星合并通常被以为是伽马射线暴的一类发生源,会发生许多差别的观察征象,以是综合引力波、电磁波等多个方式的观察,我们能够对中子星这一充满谜团的天体做出更为详细的相识。

  距离3位引力波科学家捧得2017诺贝尔物理学奖刚刚已往十几天,一场阵容浩荡又神秘兮兮的公布会再度吸引了全天下的眼光。在引力波探测已经一样平常化的今天,是什么大新闻能惹出这么大的消息呢?谜底于昨晚揭晓了。

现在所探测到的黑洞和中子星质量漫衍图,可以看到两者之间存在一个很大的空缺,此次探测是第一个填进此空缺区域的天体。  现在所探测到的黑洞和中子星质量漫衍图,可以看到两者之间存在一个很大的空缺,此次探测是第一个填进此空缺区域的天体。

  只管科学家们没有看到中子星内部信息,也不知道最终的合并物是什么,但众多后续电磁观察照旧告诉我们了一些之前不太确定的信息,好比甚大望远镜(VLT)的光谱观察确认了重金属(好比我们熟知的金银等元素)的泉源,大多数就是在中子星合并的历程当中发生的。

  在双中子星合并的历程当中,有约莫1/1000到1/100左右太阳质量的物质沿各个偏向被抛射出去,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历程发生大量的重元素。这些元素很不稳固,能够快速衰变,发生辐射加热抛射物,从而使其发出明亮的可见光以及近红外辐射,其亮度通常会到达千倍的新星级别,故被称为“千新星”。由于这个千新星距离地球很近,以是很是明亮,是之前探测到的短时标伽玛暴距离的十分之一。

  已解之惑与未解之谜

  此次引力波征象发生在南天的长蛇座,北天的望远镜很难看到,以是中国的大多数望远镜没能举行观察,好比刚刚建成的FAST以及许多光学望远镜(云南丽江的2.4米望远镜和国家天文台兴隆观察站的2.16米光学望远镜等)。

  另外一个到场观察的是硬X射线调制空间望远镜(又名慧眼)。在观察新闻公布时,事务恰好在其观察规模之内,不外很遗憾的是,只管慧眼是此能段内敏捷度最高的观察装备,可是未能在0.2-5 MeV的能段内探测到任何电磁信号,这很可能与此伽玛暴并非完全正对我们有关。

人类首次探测到双中子星合并的引力波以及相对应的电磁信号。人类首次探测到双中子星合并的引力波以及相对应的电磁信号。
中子星合并发生的引力波和之前黑洞发生的引力波信号连续时间比力图。此次双中子星连续了约莫100秒,这里只是展示了50多秒。  中子星合并发生的引力波和之前黑洞发生的引力波信号连续时间比力图。此次双中子星连续了约莫100秒,这里只是展示了50多秒。

  人类首次探测到双中子星合并的引力波以及相对应的电磁信号

  全球协作,锁定目的

  遗憾的是,受限于现在引力波探测装备的敏捷度,引力波信号曲线并不是很好,以是对于有关内部结构的问题并没有获得解答。可是,对于部门合并之后抛出了几多物质的问题,我们已经开端有了谜底。值得自满的是,这一谜底是由一部到场观察的中国望远镜给出的。(谜底后文马上揭晓)

  GW170817的探测历程振奋人心、值得一表,比国际刑警跨洲追捕逃犯还要精彩。

  中子星合并发生的引力波和之前黑洞发生的引力波信号连续时间比力图。此次双中子星连续了约莫100秒,这里只是展示了50多秒。

  简朴来说,伽玛暴是天空中某一个偏向伽马射线辐射突然增亮的征象,可以说是宇宙间自负爆炸之后最为猛烈的天体发作征象。20世纪90年月初,康普顿伽马射线天文台在观察到上千个伽玛暴之后做了一个简朴统计,根据它们连续时间的是非分为两大类:一类是发作时间长于2秒的长时标伽玛暴,另一类是发作时标短于2秒的短时标伽玛暴。后经深入研究发现,这两种伽玛暴的发生起源完全差别。

可以看出LIGO引力波信号竣事的时间和伽玛暴的最先时间相差了约莫2秒钟。可以看出LIGO引力波信号竣事的时间和伽玛暴的最先时间相差了约莫2秒钟。

  正如我们第一次直接探测到黑洞引力波一样,此次探测到双中子星引力波也完全是一个意外,而且来得有点早。此前,科学家们凭据对双中子星的相识和LIGO探测敏捷度的剖析比力,预计至少要等到aLIGO进一步升级、到达预期敏捷度之后,LIGO/VIRGO才有可能探测到双中子星合并,差不多至少要等到2019年。人类提前两年乐成探测到双中子星合并,算得上是一个优美的惊喜了。若是究其缘故原由,除了探测到的这一系统距离我们比力近之外,多方面团结协作是促成此次乐成探测的主要因素。

这样的不一致使得难以将各高校间的就业情况进行参照对比,如有统一标准,信息的可用性将大大提高。

由此看来,今天客场挑战老鹰,热火必须要拿下对手,才能在接下来的季后赛第一轮上占得心理优势。

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发布时间:2017-10-18 02:29:55

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