03.02 如何看待LIGO在2017年10月16日宣佈的引力波最新探測結果?

我忘思戀


2017年8月17日,12點41分20秒(UTC),也就是北京時間20點41分20秒,NASA的費米伽瑪射線空間望遠鏡探測到了後來被取名叫做GRB170817A的伽瑪射線暴。

首先 ,這個伽瑪射線空間望遠鏡其實 中國也有一個,叫做慧眼。是中國科學院高能物理研究所的張雙南研究員主要負責的項目。慧眼也探測到這次伽瑪射線爆。

其次,本次伽馬射線爆的時間是比較短的,大概持續了1.7秒。這短短的時間,卻產生了連鎖反應。為什麼?因為在這個時間段裡,地球上的引力波探測器LIGO也同時測量到了來自天空的引力波輻射信號。因此,這說明什麼?

這說明兩者是同時發生的。

而且,根據伽瑪射線的時間特徵,那麼短那麼劇烈——可以推斷出這是來自中子星的相互碰撞。

而LIGO的引力波探測結果也證實了這次引力波輻射的振幅比較小,符合中子星相互繞轉的特徵。

所以,這次人類第一次探測到引力波的電磁對應體。引力波的電磁對應體可以提供關於引力波事件更豐富的信息,在未來有了更多這樣的探測,我們 可以結合引力波和電磁波觀測更深入地理解許多天體物理過程,這相當於是既能用耳朵聽又能用眼睛看我們這個宇宙了。所以,這 次科學發現的意義還是十分重大的,因為這無疑說明,引力波是真的存在的,那些曾經質疑引力波真實存在的物理學家現在基本已經無話可說了。

不過,我希望有更多類似的事例能被公佈出來。

現在看來,2017年10月3日給引力波發諾貝爾獎金的時候,估計評獎委員會已經知道了今天要發生的這個新聞發佈會。


軒中科技評論


晚上10點,準確的結果才能知曉,不過據信,應該是通報LIGO觀測到兩個中子星的合併。

如果LIGO的最新成果是觀測到雙中子星合併的話,其科學意義將是巨大的。

用伊利諾伊大學厄巴納香檳分校(University of Illinois at Urbana)的天體物理學家Stuart Shapiro說的話可以理解LIGO最新成果的意義:如果雙子星合併事件被最終確認,這樣的探測則標誌著天文學的一個新時代即將到來:在這個時代,傳統的望遠鏡都可以看到現象,也可以“聽到”在時空結構上的振動。在我們的理解中,這將是一個不可思議的進步。

中子星是宇宙中除黑洞以外,最為奇特的天體,它的性質跟黑洞很像,因此中子星俗稱“黑洞的兒子”。中子星是恆星演化到末期,經由引力坍塌發生超新星爆炸之後,其組成物質中的電子併入質子成為中子,最終成為直徑只有約十公里,質量卻有太陽數倍的緻密星體。中子星密度極高,每立方厘米的質量高達數十億噸。

中子星合併與黑洞合併主要有如下區別:

一、與黑洞相比,由於中子星的質量較小但體積較大,它們發射的引力波信號幅度較小,也就是說,因為雙中子星合併所產生的信號強度相對較弱,我們必須要找到比雙黑洞距離地球更近的雙中子星,才能一窺其真容。要想獲得同雙黑洞合併相同幅度的信號,合併的雙中子星與地球的距離要比雙黑洞的距離小近10倍。

二、兩個緻密中子星的合併應該會有光學(電磁波)對應體產生,這也與兩黑洞合併完全不同。人類對於電磁波的探測技術非常成熟,因此本次引力波事件,全球多家天文機構同時觀測到了對應的千新星事件與伽馬暴事件。電磁波對應體的精確定位,能夠讓科學家們瞭解雙子星對併合與周圍電磁場、星系介質等有更多的認識。值得一提的是中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極崑崙站運行的第2臺望遠鏡AST3-2對GW 170817開展了有效的觀測,期間獲得了大量的重要數據,並探測到此次引力波事件的光學信號。

今年是中子星發現50週年,本次引力波探測事件的發佈可說是錦上添花。從科學層面考量,這一事件的探測暗示著雙中子星併合事件的發生幾率比此前預計得可能更為樂觀。可以預見,對中子星併合事件的引力波探測和其它研究工作還將繼續,並在未來獲得更多令人可喜的科學成果。


魏紅祥博士


剛剛獲得諾貝爾獎的引力波團隊又任性了。包括紫金山天文臺和美國宇航局在內,全球竟有數十家天文研究機構聯合宣佈,將在16號的晚上10點宣佈一個重大消息,內容暫時保密。紫金山天文臺的公告裡面,特別指出“我國天文學家將與LIGO/Virgo科學合作組,及全球各主要天文臺同步發佈重大天文發現”。LIGO就是2016年初宣佈探測到第一個引力波信號的團隊,領銜的三位科學家和工程師又在10月4日剛剛獲得了諾貝爾物理學獎。既然連LIGO的名字都出現了,而且全世界天文機構都知道了,那它顯然也就不再是秘密了。

果然有心的天文學家們略加分析,就把這個秘密掀了個底兒掉。比如中國科學院國家天文臺博士生劉博洋(好年輕!)在他的微信號“天文八卦學”裡在沒有引用任何官方資料的情況下就把這事兒裡裡外外分析了一個遍(到底是內行看門道啊),贏得了許多媒體紛紛轉載。劉博洋分析,全世界主要天文臺都參與進來了,那麼就說明,傳統天文臺都“看”到了引力波源。天文學界有個好處,很多信息是公開的,尤其是使用大型觀測設備需要提前申請。查閱最近世界主要天文臺觀測動向就發現,大家都去觀測了1.3億光年遠處一個叫NGC 4993的星系,並且有人在推特上爆料說,“引力波源,帶光學對應體”“初步判斷是雙中子星合併”。

那麼說人話,這是個什麼事兒呢?如果說LIGO和Virgo都是專門“聽”引力波的裝置,而此前發佈的4次引力波事件都是黑洞合併造成的,發射引力波,但不發光。(記得嗎?輪椅上的霍金老爺爺一直告訴我們,黑洞是黑的,它不發光!)那麼這次是兩個中子星(一種緻密天體,一勺物質重達10億噸)合併,他們會發光!一發光,大家就都看到了,所以才是幾十家天文臺聯合發佈。

你可能說,嗨,這算什麼事兒啊,我還當天文學家發現外星人了呢。這新聞不就是炒作嘛,科學家怎麼也成了忽悠了?其實仔細想想,我們不能這麼說,娛樂新聞能炒作,科學新聞為什麼不能炒作?其實新聞就是新聞,傳播得更廣,能夠被更多人看到,那麼這條新聞就是成功了。如果閱讀量屈指可數,無論你說的是什麼,那註定要淹沒在信息海洋裡。這幾年朋友圈裡總會出現“科學忠骨無人問,戲子家事天下知”這樣的文章,指責媒體和公眾關注娛樂明星誰誰誰跟誰誰誰好上了,分手了,卻不關注為科學進步作出巨大貢獻的科學家們。最近一次對比是鹿晗(不需要我介紹他是誰了)和貴州那個直徑500米世界第一的FAST望遠鏡之父、中國國家天文臺研究員南仁東先生(你看我得寫多少前綴,你還未必知道)。南仁東先生在為中國科學界這個“世界第一”默默奮鬥20多年之後,沒有看到FAST第一批成果公佈就去世了,而做出如此重大貢獻的他今年才剛入選院士候選人,還是年齡最大的一位。在此之前,媒體上幾乎找不到他的名字。

出現這樣對比,我覺得不能去指責娛樂明星善於炒作,而應該反思科學家為什麼不會炒作。在科學界,美國宇航局是出了名的“善於炒作”,最近幾年我們就看到好幾次生動的案例,比如發現“地球2.0”,“新視野號”拜訪冥王星,“卡西尼號”完成探測土星使命等,當然也包括首次探測到引力波的新聞。美國宇航局和天文學家(比如探測引力波的吉普·索恩)甚至會參與到好萊塢科幻大片的製作之中去。每一次“炒作”都帶來很好的新聞傳播效應,美國宇航局、哈勃太空望遠鏡,甚至在世界範圍內都是科學的象徵。這些案例說明公眾並非不關注科學新聞,而是科學機構能否按照科學傳播規律去包裝和發佈新聞,爭取媒體頭條,吸引大眾眼球。

當然了,科學的每一步進展,其實都算得上“大新聞”,因為科學進步正是這樣每次前進一小步,最終悄悄地改變了我們對世界的看法。每次這樣“一小步”的進展,也需要非凡的智慧和勇氣。從科學史上回歸牛頓、愛因斯坦的貢獻,我們也同樣可以看到他們是如何一小步一小步前進,最終震驚世人,改變歷史的。我們可以生吞活剝登月第一人阿姆斯特朗說過的那句話,“大新聞”雖然是科學的一小步,對歷史來說卻是一大步。,

我們需要全社會各個方面,甚至主動地去了解肯定新聞,幫助傳播“炒作”。讓社會公眾學會欣賞科學家們每一次的“重大消息”,欣賞這背後的艱苦努力和智慧火花。這樣才能夠讓公眾更多地支持科學家的工作,提供全民科學素質,增強創新能力。習大大說科學研究和科學普及是科學的兩翼,“炒作”科學新聞,增強科學影響力,吸引更多人來了解科學家的工作,就是很好的科普普及形式啊。

公眾更多地理解了科學新聞,也就對科學事業擁有了更多的知情權,不會被偽科學謠言忽悠。公眾更多地瞭解科學,才會有更多的年輕學子選擇投身科學事業!科學事業有多麼重要!看看牛頓、愛因斯坦、霍金的地位我們就知道了。咱們國家長期以來對科學宣傳不夠重視,或者說科學家們不善於炒作科學新聞,以至於公眾把科學家看作白鬍子老爺爺,科學是高冷又不賺錢的事業。比如今年的浙江省高,很多學生放棄物理,許多科學家驚呼,在今天這樣一個,依靠科學創新參與國際競爭的時代,長此以往必將削弱我國的競爭力。

當然大眾理解起科學新聞來,要比理解娛樂新聞困難得多。正因為如此,美國宇航局這樣的科學機構已經琢磨一套方法,在正式公佈之前,會把相關信息(通稿)提前透露給媒體,約定限時保密。也就是媒體記者可以開展采寫工作,但不能公開,要等到在科學機構正式公佈之時再發布新聞解讀稿件。這樣能夠兼顧科學新聞的及時性和專業性。這次“引力波大新聞”亮點之一是中國的紫金山天文臺南極天文中心能夠跟美國宇航局聯合發佈,因為我國設在南極點冰穹A(也是我國第三個南極科學考察站)的“南極巡天望遠鏡”在這次科學觀測中發揮了重要作用,這個望遠鏡是中國自主研發的首臺全自動無人值守望遠鏡,由中國南極天文中心、中國科學技術大學、南京天文與光學技術研究所、南京大學天文與空間科學學院聯合開發和維護。

即將發佈的這個大新聞,也和中國即將開展的引力波探測計劃密切相關。中國天文學家們正在緊張地開展工作,計劃在太空實現“空間太極計劃”“天琴計劃”,在西藏實現“阿里實驗計劃”,聆聽其他來源的引力波。也許未來的“科學大新聞”就是由中國科學家主導發佈了。

歡迎這樣的“重大消息”越多越好!


松鼠老孫


北京時間16日晚10點,美國激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)在官網宣佈,LIGO和Virgo探測器及其他合作伙伴探測到由雙中子星合併產生的新型引力波。這是人類首次探測到雙中子星合併產生的引力波。

這個是個大新聞呀!我來給各位不明覺厲的同學們總結一下,這個發現的厲害之處有哪些:

本次的引力波源:長蛇座NGC 4993星系

1, 人類第一次觀測到雙中子星引力波

2015年9月14日LIGO曾首次探測到雙黑洞合併的引力波信號,之後LIGO又相繼探測到好幾個引力波信號,但均為黑洞信號。並且黑洞合併發生得極快,通常不到一秒鐘。而中子星合併引發的引力波信號可能會長達一分鐘。本次LIGO探測到的引力波信號甚至持續了一百秒左右,並且掃過了LIGO的整個靈敏頻段。更長的時間就意味著天文學家可以對廣義相對論做更為精確的實驗檢驗,同時為中子星和引力波的特性提供更多信息。

引力波測量數據

2, 人類第一次看到引力波伴隨的電磁波信號

由於黑洞幾乎沒有電磁輻射,所以並不能看到黑洞合併時相應的電磁信號,只有引力波。但是中子星合併的時候伴隨有猛烈的伽馬射線暴,伽馬暴是宇宙中最為激烈的電磁輻射。本次LIGO探測到的引力波信號持續了一百秒左右,在引力波信號結束大於兩秒後。美國費米微信的伽馬暴探測器,歐洲INTERGRAL望遠鏡的SPI-ACS探測器,中國的X射線天文衛星--慧眼HXMT望遠鏡均在引力波源所在的天區觀測到了一個微弱的短伽馬暴。如果說之前人們對引力波的探測結果還抱有一絲謹慎的話,那這次伴隨伽馬暴電磁輻射的結果無疑再一次極大地加深了人們的信心。為廣義相對論的預言提供了非常強的觀測檢驗。

慧眼的伽馬暴測量數據

3, 全球聯動,電磁波與引力波的聯合測量。

引力波的早期測量一直被人們詬病的一點是對實驗結果進行獨立驗證非常困難。為了應對這一點,LIGO在全世界不同地方建了好幾個獨立的引力波觀測點。但這一次引力波具有伴隨著常規射電天文望遠鏡就有可能觀測到的電磁輻射。使得這次全球多個觀測點同時報告了這一事件。其中更是不乏中國科學家與中國觀測點的身影。例如我國的慧眼HXMT望遠鏡,中國南極巡天望遠鏡AST3-2等等。


低熵製造機


面對宇宙,人類已經是耳聰目明,不再是非聾即瞎!


400多年前伽利略發明的天文望遠鏡就是人類面對宇宙的“近視鏡”

,利用各種各樣的強大的望遠鏡,遠在天邊就成了近在眼前,人類就得以能夠欣賞遙遠宇宙的各種美麗的天體。但是在探測到引力波之前,人類聽不到宇宙的聲音,面對宇宙,人類只能是聾子。


引力波是時空的漣漪,如果我們距離引力波源足夠近,時空的漣漪就會讓我們的耳膜振動起來,我們就能夠聽到宇宙用引力波發出的美妙聲音。但是,由於我們距離引力波源太遠了,我們需要藉助強大的引力波探測器才能聽到宇宙的聲音,因此引力波探測器就是人類的“助聽器”,自從2016年2月11號美國的激光干涉引力波天文臺宣佈聽到了兩個黑洞結合在一起發出的歡快聲音,人類從此就不再是聾子了!


然而,儘管已經“聽”到了四次黑洞結合發出的歡快聲音,天文學家卻還沒有“看”到黑洞結合的美麗圖像。面對發出引力波的天體,人類仍然是瞎子。難道人類只能是非聾即瞎嗎?


並不是!因為這一次,不僅僅激光干涉引力波天文臺聽到了兩個中子星結合的歡快的聲音,天文望遠鏡也看到了它們相愛迸發的煙花!耳聽為虛,眼見為實!從此,人類終於耳聰目明瞭!未來引力波天文學的一個極為重要的方向就是所謂的“多信使”天文學,也就是不但要“聽到”天體發出的美妙的引力波,我們也要“看到”這些天體的倩影!

雙中子星併合過程既能產生引力波,又能產生電磁波(圖片來自網絡)。


整個天文界都沸騰了,難道僅僅是因為看了一場史無前例的煙花表演飽了眼福?並不是!從此,耳聰目明的天文學家可以詳細研究中子星內部的物質到底是什麼,真的是一堆中子還是一團夸克物質?用引力波作為“標準燭光”替代超新星,是否會得到一幅不同的宇宙演化圖像?愛因斯坦說了引力波的速度是光速,真的是這樣嗎?一個嶄新的天文學、物理學和宇宙學的交叉前沿研究領域在一片驚呼中就這樣誕生了!

我感到自豪的是,今年(2017年)6月15號發射運行的慧眼天文衛星也參加了這個創造了天文學歷史的全球大聯測!我和同事們那天(2017年8月17號)夜裡用慧眼衛星對這個事件進行了觀測和幾乎實時的數據分析,迅速發佈了觀測結果!(我還因為在辦公室打了個盹而小小地感冒了一場!)儘管慧眼衛星沒有探測到這個事件的伽馬射線暴,但是由於其伽馬射線波段的靈敏度最好,對於這次事件的伽馬射線輻射給出了最嚴格的限制,對於理解這樣的引力波爆發過程是無可替代的。因為慧眼衛星的貢獻,作為中國的一個大型團隊,

慧眼團隊110科學家帶著慧眼的結果加入了這個“天文記錄”(全球將近一千個單位的三千多個作者)的歷史性論文。當然,作為慧眼衛星的首席科學家,我更關心的是,慧眼衛星什麼時候能夠看到產生引力波的時候綻放出伽馬射線煙花?慧眼,加油!


慧眼HXMT衛星的示意圖。

發現雙中子星併合的歷史性論文的截圖:中國團隊的名單。

發現雙中子星併合的歷史性論文的截圖:中國團隊的致謝。


張雙南


↑物體運動時對空間的攪動↑

應力波在被證實之後,十分迅速地獲得了2017年的的諾貝爾物理學,可以說掀起了人們對應力波的關注,而最新的科研成果,也就是這條新聞:

北京時間2017年10月16日22點,美國國家科學基金會召開新聞發佈會,宣佈激光干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座引力波天文臺(Virgo)於2017年8月17日首次發現雙中子星併合引力波事件,國際引力波電磁對應體觀測聯盟發現該引力波事件的電磁對應體。

這個跟之前獲得諾貝爾獎的黑洞碰撞產生的引力波有什麼區別呢?長話短說,黑洞是“黑的”,基本上除了引力波我們沒有辦法觀察到它,所以就好像是黑暗中有個穿黑衣服的黑人在跳舞,所有人中只有一個帶了夜視儀的人可以看到這個人在跳舞,其他人還是一臉懵逼,有人稱之為“盲人摸象”,甚至於有膽大無畏的人直接說:LIGO發現應力波是是典型的“畫鬼找鬼”的科學騙局(黃秀清語)。

但是這次的引力波就不一樣了,這是由中子星合併產生的,除了發出引力波之外,還會發出可見光、紅外光、紫外光、X射線、伽馬射線,所以這次不是一個穿黑衣服的黑人在黑暗裡跳舞了,而是一個人在黑夜裡爆炸,但凡是個人,都能看到這個現象。

所以這次應力波的觀測基本上是全世界的天文臺和天文相關的衛星都在觀測,但是能夠測到引力波的還是隻有LIGO,其他的都是測可見光、紅外、X射線還有伽馬射線。這樣做的結果就是,LIGO把它觀測到的數據拿出來,跟其他天文臺和天文衛星測到的數據一對比,發現沒錯,就是這樣,證明了這種觀測手段的真實性和有效性,基本上可以說是讓應力波板上釘釘了。

比如說下圖,兩幅灰色的圖片都是光學望遠鏡的觀測結果,上面的圖片是中子星發生合併的時候的圖片,下面是中子星發生合併前的圖片,在圖中準星的位置,可以發現多出來一個小黑點,而這個小黑點就是合併的中子星。這個光學觀測結果,跟應力波的探測結果是一致的。此外,其他諸如伽馬射線的探測結果等等,都一一得到了驗證。

↑光學望遠鏡對中子星合併現象的觀測結果↑

所以,這是人類首次將電磁波信號與引力波信號毫無疑義的聯繫在了一起。這就意味著,引力波作為一種新的觀測手段可以作為人類研究宇宙空間的有力工具了。

天文學,從最開始只有光學觀測,到加入射電望遠鏡、空間望遠鏡,一步一步,人類研究宇宙的方式越來越多樣化。天文學在經過這麼多年的發展之後終於有了這樣一句話來總結:

天文學者還可兼用電磁輻射、中微子、引力波來做天文觀察,就好像同時使用視覺、聽覺、味覺來探測一個天文事件,這門學術領域被稱為多信使天文學。

可以說是又是一大跨越。


航小北的日常科普


  • 中子星碰撞和黃金!LIGO開啟一場宇宙大尋寶。

  • “這是你能想象的關於一次天體物理學事件最完整的故事之一。”

剛剛斬獲諾貝爾獎的LIGO(激光干涉引力波天文臺)已經改變了天文學的世界。當LIGO科學合作組織的科學家在2016年宣佈他們首次探測到引力波時,這意味著他們找到了一種觀測宇宙的新方法。有史以來第一次,科學家得以“傾聽”由大型天體(比如黑洞)相互碰撞產生的時空漣漪。

但這一切只是開始。科學家一直以來的夢想是,把引力波探測跟來自更加傳統的天文望遠鏡的觀測結果結合起來。

週一,通過發表在學術期刊《物理評論快報》(PRL)上的多篇論文,由世界各地數千位LIGO科學家組成的團隊發表了一項令人難以置信的研究發現。這些科學家不僅首次探測到了由兩顆相互碰撞的中子星所產生的引力波,而且他們得以藉助光學和射電望遠鏡找到它們在星空中的位置,成為這次天文事件的目擊者。

“這是你能想象的關於一次天體物理學事件最完整的故事之一。”來自雪城大學(Syracuse University)的LIGO物理學家彼得·索爾森(Peter Saulson)說道。

每個數據源都講述了這個故事不同的組成部分。

引力波會告訴物理學家天體有多大和有多遠,並讓科學家可以成功再現它們發生碰撞前的時刻。然後,通過可見光和電磁波獲得的觀測結果則能填補引力波無法回答的空白。這些觀測結果能夠幫助天文學家確認天體究竟由哪些物質構成,以及它們的碰撞產生了什麼元素。

就這次事件而言,科學家得出了以下結論:中子星併合產生的爆炸能夠製造包括金、鉑和鈾在內的重金屬元素(科學家此前已經提出了這樣的理論,但未能通過直接觀測加以證實)。科學家得以直接目擊正在施展的宇宙鍊金術。

“我認為,這一發現的科學影響實際上要超過首次探測到黑洞碰撞所發出的引力波。”同樣來自雪城大學的LIGO科學合作組織成員鄧肯·布朗(Duncan Brown)說,“這其中涉及的物理學和天文學要多得多。”

這一切都始於世界各地科學家在群星之間展開的一場尋寶活動。

爭分奪秒的宇宙大尋寶

8月17日上午8時41分,LIGO探測到有引力波穿過了地球,這些波能夠引起時空的扭曲。LIGO由兩個L型的天文臺組成,它們分別被埋設在美國華盛頓州和路易斯安那州的地下。當引力波短暫地擠壓或拉伸我們周圍的時空時,LIGO能夠捕捉到它們的信號。在過去的兩年中,LIGO曾數次探測到黑洞碰撞所產生的引力波。

不過,這次探測到的事件有很大的不同。

一方面,這次的信號要比之前探測到的強得多,表明事件發生地距離地球更近。此外,信號足足持續了100秒,而黑洞碰撞的信號只有幾秒鐘。

當LIGO探測到引力波後,它自動向世界各地的數百位科學家發出了提醒,布朗就是其中之一。“我們很快就進行了聯絡,然後意識到這是一個非常‘響亮’的引力波信號,這讓我們興奮不已。”他說道。

科學家很快搞清楚:這一次不是黑洞併合。初步的分析顯示,這次的引力波是由兩顆中子星相互碰撞產生的——中子星是一種奇怪的緻密天體,科學家認為它們是製造重元素的熔爐。

當LIGO探測到黑洞碰撞產生的引力波時,星空中看不到任何東西。顧名思義,黑洞是無法被看到的。但中子星碰撞呢?那應該放出一些能夠被看到的“焰火”。

藏寶處

在引力波被探測到的那一天,科學家立刻從其他渠道得到了一些預示重大事件正在發生的線索。就在LIGO探測到引力波的兩秒鐘後,美國宇航局(NASA)的費米伽瑪射線空間望遠鏡(FGST)探測到了一場伽馬射線暴,這是宇宙中已知最強烈的能量爆發之一。

長期以來的理論認為,中子星併合會製造伽馬射線暴。科學家判斷這不可能是巧合。

但是,中子星併合事件的光學觀測窗口期非常短。所以,LIGO合作組織的科學家突然感受到巨大壓力,促使他們迅速展開行動。“越早能調動天文望遠鏡對目標展開觀測,能獲取到的信息也就越多。”布朗如是說。研究那些光線及其變化情況,科學家將能掌握關於中子星以及它們碰撞會如何轉化物質的大量信息。

布朗及其團隊投入到緊張的工作當中,他們跟世界各地的數十位科學家召開了視頻會議。LIGO團隊和VIRGO團隊(VIRGO是位於意大利的引力波觀測站)拼命趕製出一幅星圖,展示了引力波源的位置。他們把範圍縮小到星空中的一片區域,大致相當於你把手臂伸向星空時拳頭的大小(即便如此,那在天文學上也是一片龐大的區域,一臂之外針頭那麼大的地方可能就包含著數千個星系)。意大利的VIRGO其實沒有探測到信號,但正是這一點對校正位置起到了幫助作用。VIRGO知道盲點在哪裡,所以中子星必定在其中一個盲點的附近。

以下就是結合FGST、LIGO、VIRGO以及另一個伽馬射線探測器Integral所得數據製作的星圖,每個探測器都得出了信號源的潛在位置區域,而它們重疊的地方就是這場宇宙尋寶的“藏寶處”。

有了星圖在手,LIGO團隊向一個全球性的天文學家網絡發出了電郵提醒,讓他們在夜幕降臨後對星空的那片區域進行觀測。

找到了!數個地面天文臺在那一夜確定了“千倍新星”(kilonova)的位置,也就是在兩顆中子星併合後發生的爆炸。在下面的左圖中,你可以看到天文學家在發現之夜觀測到的千倍新星,右圖則是幾天之後它看上去的樣子,其光線已經暗淡了許多。

以下是千倍新星爆炸前(下圖)和爆炸後(上圖)的對比圖。

這些圖像可能有些模糊,但蘊含了大量信息。

有了準確的座標,科學家可以將哈勃太空望遠鏡和錢德拉X射線天文臺對準千倍新星。依靠這些儀器,科學家能夠目睹創造過程的一小部分。

相撞的中子星是如何造出金子的

中子星是一種非常奇特的天體。它們是恆星坍縮(亦即超新星爆發後)的遺物,密度極高。想象一下,有一個天體的質量與太陽相同,但直徑僅為20多公里,這相當於把質量是地球33.3萬倍的物質擠壓成普通小島那麼大的一個球體。其內部的壓力是如此之大,以至於裡面只有中子。

在1.3億光年外的一個星系中,兩顆中子星在軌道上圍繞彼此運行,它們之間的距離越來越近。每個中子星的密度是如此之高,產生的引力是如此之大,導致對方出現潮汐隆起現象。最終二者撞在了一起,撞擊產生的能量製造出了扭曲時空的波浪,並且向太空噴發出大量粒子(這是和引力波一起探測到的伽馬射線暴)。引力波和伽馬射線以光速的速度傳播,這是愛因斯坦廣義相對論的又一個證據。可能中子星的質量夠大,合併後足以形成一個新的黑洞。但還沒有充分的證據來下結論。

不過,有證據證明:在爆炸後,剩餘的很多中子結合在一起,形成各種元素。

我們所有人,以及地球上的所有元素,都起源於恆星。宇宙大爆炸創造了氫和氦等非常輕的元素。這些元素結合形成恆星,而恆星的聚變反應又形成了質量越來越大的元素。

當恆星變成超新星(坍縮和爆炸)時,更重的元素出現了。但布朗解釋說:“黃金和鉑金來自哪裡?這長期以來都是未解之謎。”就算是超新星也不足以產生這些元素。

曾有理論認為,千倍新星(兩顆中子星合併後爆炸)可以。由於天文學家這次能夠迅速定位這次中子星合併事件,因此他們證明了這一點。通過探測爆炸餘暉的光譜,證實了黃金和鉑金的誕生。這就像親眼目睹鍊金術。

“地球上的黃金是在雙中子星合併的核火焰中煉就的。”布朗說,“我現在戴著一枚婚戒,是鉑金製成的。我非常喜歡,這是中子星相撞的產物。”

科學家相信,這開啟了天文學的新紀元

右邊是中子星物質的效果圖,左邊是碰撞周圍的扭曲時空

這一發現令人興奮不已,因為它意味著我們真正迎來了天文學的新紀元。它意味著科學家不僅可以研究天體發出的光和輻射,還可以把這些研究和引力波數據結合起來。

它意味著科學家擁有這種碰撞的全面數據,包括兩顆中子星圍繞彼此運行的數據、撞擊時的數據和撞擊後的數據。把所有這些數據源結合起來,就是“多信使”天文學。這是LIGO科學家自從該天文臺建立以來就一直懷揣的夢想。

LIGO天體物理學家維基·卡洛傑拉(Vicky Kalogera)說:“想象一下,我們住在一個沒有窗戶的房間,只能聽到雷聲,卻看不到閃電。再想象一下,我們身處一個有窗戶的房間,不僅能聽到雷聲,還能看到閃電。看見閃電使我們有了一個研究雷暴天氣和了解背後真相的新機會。”

引力波是雷聲,望遠鏡觀測到的爆炸就是閃電。

幾周前,LIGO的三位創始成員因為他們的開創性努力而榮獲諾貝爾物理學獎。最近的結果顯示,這項科學研究得獎是實至名歸。

引力波觀測的一個有趣之處在於,它是守株待兔。LIGO和VIRGO“聆聽”碰巧經過地球的任何引力波。每次探測都開啟了自己的尋寶之旅,科學家必須弄明白是什麼造成了時空中的漣漪。

科學家希望觀測到更多的黑洞合併,更多的中子星合併。但也可能觀測到更奇特、更炫酷的現象。如果LIGO和VIRGO繼續升級改進,它們也許會發現,宇宙大爆炸產生的引力波至今仍在宇宙中迴盪。或者,更加激動人心的是,它們也許會發現出乎意料或者從未被觀測到的引力波來源。

“人類首次登月的時候,我還沒有出生。這讓我有點遺憾。” 路易斯安那州立大學物理學家、LIGO科學合作組織成員托馬斯·科比特(Thomas Corbitt)說,“引力波的發現證明,人們共同努力可以取得巨大的成就。看到像這樣的事情,實在是鼓舞人心,並促進了我們對宇宙的瞭解。”

翻譯:何無魚 于波

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全球數十家天文機構同時宣佈了這個“前所未有”的重大消息——人類第一次探測到了雙中子星併合產生的引力波。

1.“雙中子星併合引力波”是什麼?

這是 LIGO 探測到的第 6 個引力波信號了。前 5 次的引力波都是來自兩個黑洞合併,並且黑洞的總質量都超過20個太陽質量。相互繞轉的黑洞在時空中激起震盪,就像蹦床中央兩個跳舞的大胖子在蹦床上激起的震顫一樣。而這一次引起引力波的物體總質量只有 2.8 個太陽質量,倒很像是中子星而非黑洞。

除了質量的不同之外,其他 5 次黑洞合併沒有被任何電磁波望遠鏡觀測到,而這一次卻被從射電到伽馬射線、工作在不同電磁波能段上的不同望遠鏡探測到。


2.中子星和黑洞都是什麼?

黑洞和中子星都是大質量恆星死亡的產物(這裡只涉及恆星級黑洞,星系中心的超大質量黑洞起源另當別論)

  • 如果原初恆星質量超過20太陽質量,它死亡(即中心核燃料耗盡)後會直接坍縮為黑洞。恆星級黑洞的質量至少為3個太陽質量,常常更高。


  • 如果原初恆星質量在8-20太陽質量之間,恆星死亡後只能形成中子星,質量一般在1.2-2太陽質量之間。

  • 更輕的恆星(如太陽)只能產生白矮星。


3.這樣的現象,有什麼意義呢?

正如問題1,黑洞碰撞產生的引力波是不能被觀測到的,而天文學家們一直迫切地尋找引力波的電磁對應體。不然在探測之路上只能像個盲人一樣,只能聽不能看。

根據理論,如果一個引力波源能發光,它的附近一定存在物質或很強的電磁場。因為黑洞很有可能已把周圍物質吞沒,除非有特殊機制(比如黑洞帶電或雙黑洞在恆星內部),雙黑洞併合不會給出非常明亮的電磁對應體。

如果兩個中子星併合,即使併合後產生黑洞,在黑洞外也會有很多物質,因此會產生很亮的電磁輻射。如果併合產物不是黑洞而是超大質量中子星,電磁輻射會更強。理論預言,雙中子星併合可能產生的電磁對應體包括短伽馬射線暴和光學併合新星。這次當LIGO在天文圈裡宣佈他們發現了人類第一次見到的雙中子星併合候選體後,全世界的望遠鏡都指向那個方向,那些預言的電磁信號都如約而至,並帶來更多的驚喜和困惑。

這就是意義所在。


果殼視頻


筆者看,最大一個不同點就是為什麼這次有這麼多天文臺都宣佈了這個重大發現,這其中的原因非常有趣。

其實,今晚剛剛宣佈的引力波發現其實一點神秘感都沒有,引力波圈子裡面誰都知道了,GW170817中子星合併在8月17號被捕捉到,於是世界上一大票天文臺就開始跟風了,既然LIGO和Virgo都已經探測到了,如果其他天文臺不去觀測就有點說不過去了,都告訴你源就在那兒,這就是為什麼這次引力波事件有一大波天文臺跟風搶頭條的原因。那麼之前為什麼就不搶呢,因為它們根本沒有實力去搶,之前發現的四次引力波事件都是黑洞合併,黑洞這玩意把所有電磁波都自己吞掉了,所以只有LIGO能探測到。這次不同,這次是中子星合併,中子星的表面逃逸速度沒有達到光速,所以各種電磁波都出來了,比如X射線、紫外線、可見光、紅外、伽瑪射線都出來了,所以就有了一大波天文臺跟LIGO去搶頭條了。

所以本來是LIGO才能探測到的引力波居然有如此多個天文臺也出鏡,原因就在於這次是中子星合併,比如歐洲南方天文臺,引力波他們肯定是探測不到的,那隻能去分析個伽瑪射線、X射線之類的。但這些研究也是有意義的,因為這是人類第一次探測到中子星合併的引力波信號,持續時間大約為100秒。美國宇航局動用了雨燕伽瑪射線衛星,哈勃望遠鏡,錢德拉X射線望遠鏡和斯皮策紅外望遠鏡,還有數十個地面觀測站,泛星望遠鏡等,用於觀測中子星合併後的現象。

最後需要說的,GW170817源的第一個發現機構為LIGO,其他天文臺都是配角,包括NASA在內,狐假虎威不是科學精神喔。


太空伊卡洛斯


施鬱

(復旦大學物理學系教授)

這次引力波和電磁波同時觀測到中子星併合,表明引力波和電磁波的探測可以協同進行,這標誌著多信使天文學的開始。

之前4次引力波事件都是來自黑洞的併合,而黑洞是不發光的,天文學家沒有觀測到這些事件帶來的電磁波。而這一次,因為是兩個中子星的碰撞併合,在VIRGO和LIGO探測到引力波(代號GW170817)1.7秒鐘之後,費米和INTEGRAL空間望遠鏡探測到這個併合事件產生的伽馬射線爆(代號GRB170817A)。所以這是人類首次探測到同一天體事件產生的引力波和電磁波。隨後,國際上很多天文臺從各個波段都進行了觀測,發現了金、鉑等貴重金屬元素的信號。

這個伽馬射線爆是個短伽馬射線爆,當天協調世界時(UTC)12:41:06到達地球。6分鐘後,LIGO數據分析程序自動發現12:41:04到達Hanford探測器的引力波信號。VIRGO沒有觀測到,說明在它的盲點,這幫助了定位。

這次伽瑪射線爆和引力波來源的方位送給70多個天文學家小組。智利的Swope望遠鏡首先在NGC4993星系附近發現一個新出現的亮斑。這個光學過程命名為SSSS17a。全球各波段的望遠鏡一起認定,這是一箇中子星碰撞併合過程。這樣就弄清了短伽馬射線爆起源於中子星碰撞。這說明了引力波對中子星研究的作用。據認為,宇宙中大部分金元素就來源於這種碰撞過程。傳統認為,重元素起源於恆星內部的核反應和超新星爆發,但是後來發現這還不夠,所以認為中子星碰撞也提供了一個渠道。這次併合的產物是中子星還是黑洞,還不清楚。 中子星併合產生的引力波還可以提供宇宙學信息。


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