國(guó)際天文界再次被引力波刷屏。多國(guó)科學(xué)家16日宣布，人類首次直接探測(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)。中子星引力波怎么探測(cè)?引力波解答了哪些疑問(wèn)?還有哪些未解之謎?“中國(guó)網(wǎng)事”記者就此采訪了有關(guān)科學(xué)家。

引力波怎么探測(cè)

北京時(shí)間16日晚22時(shí)，包括我國(guó)在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家宣布，人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”由這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。

據(jù)科學(xué)家介紹，2017年8月17日，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的引力波信號(hào)GW170817。這個(gè)信號(hào)是一個(gè)由雙中子星合并產(chǎn)生的引力波。全球約70個(gè)地面及空間望遠(yuǎn)鏡從紅外、X光、紫外和射電波等多個(gè)波段開(kāi)展后續(xù)觀測(cè)。這其中，也包括中國(guó)架設(shè)在昆侖站的南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2。

僅僅在LIGO觀測(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的伽馬射線暴。“費(fèi)米幾乎在同一時(shí)間觀測(cè)到伽馬射線暴，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)鏡率先觀測(cè)到此次信號(hào)的光學(xué)對(duì)應(yīng)物——位于一個(gè)叫NGC4993星系的雙中子星系統(tǒng)。

基于AST3-2獨(dú)立收集到的數(shù)據(jù)，科研人員還計(jì)算出，此次兩顆致密中子星合并的過(guò)程共拋射出超過(guò)3000倍地球質(zhì)量的物質(zhì)，這些物質(zhì)攜帶有巨大能量，拋射速度達(dá)到0.3倍光速。

引力波也被稱為“時(shí)空的漣漪”。1916年，愛(ài)因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言，劇烈的天體活動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周圍的時(shí)空一起波動(dòng)，這就是引力波的由來(lái)。此后百年間，科學(xué)界一直在尋找引力波的存在。此前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)4例由雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波。

何以震驚天文學(xué)界

為什么中子星引力波引起天文界震動(dòng)?專家們說(shuō)，主要原因有三個(gè)。

首先，這是人類第一次探測(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·哈里告訴記者，此前觀測(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，因此能深入了解核物質(zhì)的行為。

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，這是人類第一次同時(shí)觀測(cè)到來(lái)自同一個(gè)天文事件的引力波和電磁波，使得確認(rèn)宿主星系成為可能。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)向前發(fā)展，我們可以期待引力波觀測(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。”

第三，地面紅外望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了中子俘獲過(guò)程，從而第一次提供確鑿證據(jù)證實(shí)了中子星合并就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源地。

南非夸祖魯-納塔爾大學(xué)的引力波研究專家馬寅哲在發(fā)給記者的一份電子郵件中開(kāi)玩笑說(shuō)：“如果有人問(wèn)帶著金戒指的女性朋友，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。”

還有哪些未解之謎

本次LIGO項(xiàng)目組宣布發(fā)現(xiàn)的引力波，來(lái)自距地球約1.3億光年處的雙中子星合并。與黑洞合并只產(chǎn)生引力波不同的是，中子星合并除了產(chǎn)生引力波外，還發(fā)出了大量的電磁波。

這就是讓天文學(xué)家感到興奮的“多信使天文學(xué)”。引力波和電磁波作為不同的“信使”，可以告訴我們同一個(gè)天文事件在不同方面的信息。美國(guó)田納西大學(xué)天體物理學(xué)教授邁克爾·吉德里說(shuō)，“多信使天文學(xué)”是天文學(xué)家長(zhǎng)期追求的“圣杯”，將對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的未來(lái)產(chǎn)生巨大影響。

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)將會(huì)發(fā)生什么情況、質(zhì)量多大時(shí)會(huì)形成黑洞等等。

“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)論理論完全吻合，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。“我們還有可能觀測(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。”

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)。(記者：林小春、王玨玢、彭茜、蔣芳、黃堃)

標(biāo)簽： 引力波 人類