激动!天文学家的这个发现,居然是一个“巨型黄金制造厂”?

核心提示:包括美国、中国在内的多国科学家同时宣布,成功探测到第一例双中子星引力波事件,人类首次窥见引力波源头的奥秘。

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北京时间10月16日晚上10点,谜底揭开:

包括美国、中国在内的多国科学家同时宣布,成功探测到第一例双中子星引力波事件,人类首次窥见引力波源头的奥秘。

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,我国科研人员还借助引力波光谱解开了宇宙中金、银等超铁元素的产生之谜。

美国国家科学基金会、美国“激光干涉引力波天文台”、索诺玛州立大学和A.Simonnet提供的效果图显示的是两个合并中的中子星。新华社发

寻到宇宙“黄金之源”

“中子星合并是宇宙的‘巨型黄金制造厂’,借助引力波探究中子星,可以让人类窥见金、银等超铁元素,是如何在宇宙‘盛大焰火’中产生的。”中科院紫金山天文台副研究员金志平参加的国际团队,通过引力波光学信号的观测和光谱分析确定,中子星合并确实是宇宙中金银等超铁元素的主要起源地。

报道称:中子星的一次碰撞,抛出的碎块中形成的黄金足有300个地球那么重。也就是说,你的金戒指或者金项链里面,大部分黄金是至少几十亿年前中子星与中子星或黑洞碰撞后的碎块里产生的。这些碎片被撒入广袤无垠的太空中,其中的一部分与其他大量物质在46亿年前凝成了我们的地球。

这一次,中国没有错过!

引力波由黑洞等天体在碰撞过程中产生,可把它想象成石头丢进水里产生的波纹。100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年才首次获得证实。

2017年8月17日,第4例引力波事件发生后的第3天,美国激光干涉引力波观测台LIGO又发现一个新的引力波信号GW170817。与前4例黑洞合并所产生的引力波不同,GW170817是一个由双中子星合并产生的引力波。全球约70个地面及空间望远镜从红外、X光、紫外和射电等多个波段开展后续观测。

这其中,也包括中国架设在昆仑站的南极巡天望远镜AST3-2。身在南京的中科院南极天文中心的年轻成员胡镭,是第一个注意到南极巡天望远镜AST3-2“有情况”的人。

胡镭告诉记者,8月18日中午,南极团队获知引力波信号准确方位后,立刻调整巡天望远镜角度,把望远镜观测角度拉到极限,历时10天,每天2小时,终于在预期坐标内看到了那个宝贵的亮点。中国在南极抓住了这个机会!

为什么中子星引力波引起天文界震动?

首先,第一次探测到双中子星合并。

LIGO项目组成员、美利坚大学天体物理学家格雷戈里·哈里告诉记者,此前观测到的引力波均来自黑洞。黑洞完全由扭曲时空构成,而中子星却是一个切实星体,观测两个中子星合并与观测两个原子核合并“并没有什么不同”,因此能深入了解核物质的行为。

哈里说,中子星引力波可以用来直接测量到引力波源头的距离,而相应的电磁信号给出了速度,由此可用来校准宇宙膨胀速度,从而进一步回答宇宙从哪里来、又往哪里去等重大问题。

其次,第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波。

通过X光、紫外、可见光、红外及射电波的观测,使得确认宿主星系成为可能。这一事件展示了引力波与电磁波等不同研究团队之间开展合作的重要性,也标志着多信使天文学跨入新时代。

“我想说的是,这是第一次我们既能‘看到’也能‘听到’一个天文事件,这些不同的‘感官’体验将能给我们很多信息,”哈里说,“引力波天文学才刚刚开始,随着21世纪科技向前发展,我们可以期待引力波观测将为宇宙学、天文学、天体物理学、核物理学和引力学以及其他领域带来更多见解。”

第三,地面红外望远镜探测到了中子俘获过程,从而首次提供确凿证据证实中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源,而之前天文学家只是推测。

南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲在发给记者的电子邮件中开玩笑说:“如果有人问戴金戒指的女性朋友,她的金戒指从哪儿来?她应该说,这是从银河系中的合并中子星那里产生的。”

为那一秒的相遇,人类探寻百年

天体剧烈活动引起的时空扰动,好比在浩渺的宇宙中央投下一颗石子,历经10多亿年漫漫星系之旅,时空的涟漪最终与地球邂逅1秒。从1916年爱因斯坦的预言,到2016年2月首次确定探测到引力波信号,人类为了这最后1秒的相遇,苦苦探寻百年。

自首次发现,人类“触波”的频率明显加快。2015年12月、2017年1月和8月,人类又先后探测到3次由双黑洞合并触发的引力波。特别是最新的一次,编号为GW170814的双黑洞引力波被两台位于美国的LIGO设备和一台欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器同时找到。3台设备联手发现,大大精确了引力波在太空中的方位,引力波探索又向前迈进了一大步。

第五次引力波信号也是第一次中子星合并引力波,更是引起了全球天文界的一波狂欢。在8月17日的事件中,全球约70个地面及空间望远镜从伽马射线、X光、紫外、光学、红外和射电等波段开展后续观测,确认引力波信号来自地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系,两颗中子星的质量均不超过太阳的两倍。

未解之谜

中子星是目前已知最小、最致密的恒星,由大质量恒星在生命最后阶段经过超新星爆发形成,与太阳同质量的中子星直径只有20千米,一小勺中子星物质的质量可达10亿吨。由于中子星在宇宙中很常见,天文学家一直期待着发现双中子星合并的引力波信号。

哈里说,如果没有引力波研究,中子星的许多性质都将是长期悬而未解的谜,包括在强引力作用下怎么弯曲变形、合并时会发生什么情况、质量多大时会形成黑洞等。

“GW170817不能回答所有这些问题,但它提供了以前没有的信息,并且表明引力波观测是解答这些问题的切实可行方法。”哈里说。

他指出,迄今探测到的5次引力波信号都与爱因斯坦的广义相对论完全吻合,但广义相对论却与量子力学不相容,因此一些观点认为广义相对论需要修正,诸如GW170817等事件是少数能在引力极限情况下验证广义相对论的办法之一。

“到目前为止,我们还没有获得任何新线索,爱因斯坦的理论也许正确描述了我们的宇宙,无需任何修改或增加内容,”哈里说,“但我们还有可能观测到更强、更清晰的信号,那也许能向我们展示爱因斯坦引力理论所不能解释的东西。”

这次事件中,双中子星合并之后变成了什么,依然没有答案。科学家列出了两种可能,一种是变成了质量非常大的中子星,另一种是变成了黑洞。但不管是什么,它的质量大约相当于2.74个太阳。

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