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引力波探測“耳聰目明”

美國國家科學(xué)基金會(huì)召開新聞發(fā)布會(huì)宣布,美國激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和歐洲處女座(Virgo)引力波探測器于8月17日首次發(fā)現(xiàn)雙中子星并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)。

“這是天文學(xué)家期待已久的發(fā)現(xiàn)!”中國科學(xué)院高能物理研究所的熊少林是我國慧眼望遠(yuǎn)鏡伽馬暴與引力波電磁對(duì)應(yīng)體項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人,他評(píng)價(jià),這次引力波探測事件在天文學(xué)和物理學(xué)中都具有“劃時(shí)代”的意義。

從2015年9月到今年8月,科學(xué)家先后4次探測到引力波信號(hào),均來自雙黑洞并合事件。

“與之前相比,此次引力波事件最大的不同就是同時(shí)產(chǎn)生了電磁信號(hào)。”熊少林在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹,黑洞在并合時(shí)“黑漆漆一片”,除了引力波信號(hào)之外不會(huì)產(chǎn)生任何電磁信號(hào)——包括射電信號(hào)、可見光、紅外光、X射線、伽馬射線等等。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員張承民告訴科技日報(bào)記者,其根源在于,黑洞屬于能量集團(tuán),而中子星屬于物質(zhì)結(jié)構(gòu),所以后者在并合時(shí)不僅可以產(chǎn)生引力波,還可以造成電磁信號(hào)爆發(fā)。

正因如此,世界各地幾十臺(tái)地面和空間望遠(yuǎn)鏡紛紛上場,對(duì)此次引力波事件進(jìn)行了一次歷史上規(guī)模罕見的聯(lián)合觀測。于是,人類第一次同時(shí)探測到引力波和它的電磁對(duì)應(yīng)體。

“人類過去一直在用傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙,憑借‘看’的手段認(rèn)識(shí)宇宙。2015年LIGO為觀測宇宙打開第二扇窗口,人類終于能夠‘聽’見宇宙的漣漪。但二者一直是孤立的,沒有結(jié)合起來。”熊少林說,如今人類終于得以將“看”和“聽”兩種手段結(jié)合起來,“雙劍合璧”探測引力波。

熊少林介紹,LIGO發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)具有重要的歷史意義,但從探測的角度來看,引力波信號(hào)也有不完美之處。那就是,引力波探測器可以大概得知引力波事件所在區(qū)域,但無法精確定位其位置。而傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡以電磁信號(hào)為研究手段,與引力波信號(hào)可形成互補(bǔ)關(guān)系,豐富了研究宇宙的信息。

“無論是引力波信號(hào),還是電磁信號(hào),在天文學(xué)中都被稱為‘信使’。”熊少林說,此次引力波探測事件的重要意義在于,它標(biāo)志著多信使天文學(xué)時(shí)代的到來。

除了上述兩種信使,還有中微子和宇宙線。“將來可以期待同時(shí)從4個(gè)維度研究同一個(gè)宇宙事件,這更是天文學(xué)家的夢想。”熊少林說。

“中子星的質(zhì)量一般相當(dāng)于一兩個(gè)太陽,與黑洞的質(zhì)量相差十倍,所以雙中子星并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)更加微弱。”張承民介紹,由于中子星質(zhì)量更小,所以雙中子星并合時(shí)軌道收縮更慢,引力波持續(xù)時(shí)間更長。

幸運(yùn)的是,此次發(fā)生并合的雙中子星位于編號(hào)為NGC4993的星系,距離地球僅1.3億光年左右,產(chǎn)生的引力波信號(hào)和電磁信號(hào)都非常強(qiáng)。它的引力波信號(hào)持續(xù)了100秒左右。

捕獲雙中子星并合產(chǎn)生的引力波信號(hào),本身對(duì)天文學(xué)研究也有重要意義。張承民告訴記者,雙中子星系統(tǒng)是恒星演化到晚期的產(chǎn)物,在宇宙中數(shù)量較多,它們可能構(gòu)成了引力波的背景噪聲,可在研究宇宙早期演化方面發(fā)揮重要作用。

10月3日,2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給3位美國科學(xué)家,以表彰他們?yōu)長IGO探測器建設(shè)和引力波發(fā)現(xiàn)所作出的突出貢獻(xiàn)。

“將引力波信號(hào)和電磁信號(hào)結(jié)合起來進(jìn)行天文研究,空間十分廣闊,其中涉及的重要科學(xué)問題相當(dāng)之多。”熊少林說,如果讓他預(yù)測,這一領(lǐng)域未來肯定還會(huì)產(chǎn)生諾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)。

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