人类首次直接探测到引力波，人类天文研究将会产生怎样的 ...

刘和谐1

人类首次直接探测到引力波

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全球70多个天文台先后观测到了一对中子星的碰撞与合并事件，一年时间之后，全球科学家还在回味当时的惊奇和欣喜，多信使天文学和天体物理学的到来，他们畅想了未来的科学图景。2017年8月17日的清晨，伽玛射线望远镜的研究人员被伽玛射线暴监视器的警报声“吵醒”，非常强的检测信号显示，在外太空发生了一起伽玛射线暴的天文事件，仅过了2秒钟，美国和欧洲的三个激光干涉仪引力波观测台就接受了引力波信号，全球70多个天文观测台被信息分享系统“唤醒”，先后投入到对中子星碰撞事件的观测。
研究人员测定了事件的发生方位和距离，电磁波和引力波的双波源位于星系NGC4993。死亡恒星经过引力坍缩作用形成了中子星，两颗中子星的碰撞事件验证了现有的理论模型，标志了一个崭新的天文学和天体物理学时代的到来，传统的天文学借助了光学观测手段，引力波天文学则打开了另一扇天文观测的窗口，引力波的观测手段好似“如虎添翼”，科研人员在“伽利略的望远镜”基础上有了更大的飞跃，引力波天文学有助于人们理解宇宙学的基本问题。
双中子星在碰撞过程中发出了电磁辐射信号和引力波信号，经过了大约一周时间，引力波观测台停止运行，进行计划内的维护和升级，以更好地投入运行。“8·17引力波”事件对应了射电波和X—射线信号，一年之后，这些信号的强度进入了消退期的最后阶段。天文学家将引力波形象地比喻为时空海洋的涟漪，当任何有质量的物体发生运动速度的变化时都会产生引力波，一个受到引力拖动的物体在时空周围激发了引力波。两个巨大质量的中子星经过了碰撞与合并，从中产生了剧烈的速度变化，从中释放了强烈的引力波。




“8·17引力波”事件的波源与地球的距离为1.3亿光年，引力强度足以让引力波穿越多重星际物质，到达了地面引力波观测台。国际标准时间2017年8月17日12时41分，位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个激光干涉引力波观测台记录了之前从未发现的引力波信号，之前记录了几次引力波信号，持续了几秒时间，这次记录的引力波信号持续了100多秒，LIGO引力波观测台和位于意大利比萨的Virgo引力波探测器同时记录了引力波信号，从三个方向传入的引力波帮助科研人员对引力波信号的来源进行了锁定。
利用伽玛射线望远镜和光学望远镜对“8·17引力波”进行了观测，天文学家之后使用了射电望远镜和X—射线望远镜，对双中子星事件进行了后续观测，其中包括了新墨西哥州的非常大型射电阵列、钱德拉X—射线太空望远镜。在事件出现之后的200多天，射电和X—射线的信号强度增加得十分显著，然后开始消弱。两颗中子星的合并过程存在复杂性，天文学家争取把多信使天文信号拼成整个的“事件图谱”，从而达到对中子星合并事件的精确认识，目前收集和分析的数据验证了“巨超新星”的理论模型。
2010年，哥伦比亚大学的天文学教授布莱恩·梅茨格引入了天文术语：巨超新星或超巨新星（Kilonova），作为天文词语的“千超新星”是特别明亮的一种超新星，亮度相当于超新星的一千倍，在千超新星或巨超新星的核心区发生了核合成反应，产生了被天体物理学家称之为的快速中子捕获过程或r过程，宇宙的有些重元素，诸如：金、白金、银产生于此，它们在宇宙的分布不算稀有，它们在地球的稀有性引起了人们“穿金戴银”的奢侈需求。中子星在碰撞与合并过程中或者变为一个质量更大的中子星，或者共同塌缩成“宇宙怪物”的黑洞。
除了在中子星碰撞事件的观测中检验理论模型的有效性，天体物理学家还利用观测数据对宇宙膨胀最重要的衡量指标——哈勃参数或哈勃常数进行计算。科研人员以“8·17引力波”事件为背景发表了800多篇论文，他们或是赢得了一系列的科学大奖，或是得到了研究经费的支持，2017年的物理诺奖授予了对引力波发现有重要贡献的三位物理学家。引力波的发现带来了直接的结果，天文学和天体物理学出现了新的出发点。




几个世纪以来，科学家只以电磁波手段接收天空的信息，他们现在有了一种观测和认识宇宙的新方式，以引力波信号描绘全新的宇宙图像。在2019年的早期，LIGO和Virgo的两支引力波探测团队启动了新一轮的探测计划，预计每年发现大约10个中子星的碰撞事件，在以前的观测条件下，科学家做不到这点。在接下来处理“数据潮”的过程中，他们重新设置了自动化的数据处理系统，广泛开展了国际交流与合作，数千位全球科学家共同探测引力波，好似共赴一场科学的盛宴。
在今后的引力波探测中，天文学家满怀希望，不仅要发现典型的中子星相互碰撞事件，而且要发现中子星和黑洞的碰撞，他们对一个问题感到了特别的兴趣，当中子星和黑洞发生“遭遇战”时，究竟是中子星跌入黑洞，还是中子星消失于“粉身碎骨”？好似有很多网友担心的问题：当某人掉进黑洞时，究竟是身体跌入黑洞，被引力潮汐撕成粉碎，还是某人在黑洞中心“畅游”？在研究黑洞视界——中子星和人的身体进入黑洞区域的“不可折返点”时，对中子星和黑洞碰撞事件的观测给出了新的方法。通过中子星的碰撞事件，天文学家观测了其中的喷流现象，能量的释放产生了强大的束流，当遥远的强烈喷流指向了我们的地球时，天文学家有机会捕获束流的信号。
在“8·17引力波”的情形中，中子星在相互碰撞中产生了喷流，但喷流与地球构成了夹角，当夹角为零时，喷流垂直指向了地球，喷流会显现得更加明亮。天文学家将在今后的数月、数年时间持续观测束流强度的变化。中子星和黑洞的碰撞可能产生喷流现象，科研人员计划发射灵敏度更高的X—射线和伽玛射线太空探测器。政府为科研人员的空间探索计划“买单”，不只是满足了科学家的好奇心，在探索的过程中衍生了很多人们未知的技术。新的探索领域和探测手段激发了青年人和青年科学家的热情，他们的努力影响了人类理解宇宙奥秘的未来。




（编译：2018-8-25）