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【新知】人类首次“看到”引力波事件!中国“慧眼”做出重要贡献

北京时间2017年10月16日22时,美国国家科学基金会宣布激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件,国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。


中国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜对此次引力波事件发生进行了成功监测,为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献。




人类首次“看到”引力波事件


10月16日,美国国家科学基金会主席弗朗斯·科尔多瓦在华盛顿举行的新闻发布会上讲话。全球多国科学家16日同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。美国东部时间8月17日8时41分(北京时间20时41分),美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到这个引力波信号。此后2秒,美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。



引力波的直接探测刚刚获得了2017年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用,因此,人们普遍认为引力波研究的下一个里程碑是发现引力波事件产生的电磁辐射。


中科院高能物理研究所熊少林研究员说:“本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同,它由两颗中子星并合产生。理论预言双中子星并合不仅能产生引力波,而且能产生电磁波,即引力波电磁对应体,因此本次探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义,正式开启了多信使引力波天文学时代。”


引力波是什么?


什么是引力波?就好像有人在水池中央搅动水面,水面会以波动的形式传向四方,极端天体物理过程中,时间和空间会在质量面前弯曲,并以振动的形式向外传播,这就是人们俗称的“时空涟漪”,这些振动便是引力波。


1916年,爱因斯坦在广义相对论框架下首次提出了引力波的设想,但其存在与否谁都无法确定,即便爱因斯坦本人。虽然存在是个谜题,但科学家们探测引力波的脚步并未放慢。



2015年9月14日,LIGO团队捕捉到类似一只鸟儿啁啾声的信号,这是由黑洞并合产生的一个时间极短的引力波信号,尽管持续不到1秒,却是人类首次探测到引力波。此后,科学家们又陆续探测到几例引力波事件。


不过,跟以往发现的双黑洞并合不同,本次发现的引力波事件由两颗中子星并合产生。“理论预言双中子星并合不仅能产生引力波,而且能产生电磁波,即引力波电磁对应体。这次探测,正是天文学家们期待已久的重大发现。”熊少林说。


2016年,LIGO合作组宣布探测到引力波后,业界普遍认为引力波研究的下一个里程碑是发现引力波事件的电磁对应体。“这对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用。”科学家们认为,证实引力波确实存在,将彻底改变物理学对宇宙的认知。科学家将能够由此来研究大爆炸事件的后续影响,还能够更精确地来观察宇宙中遥远的角落。源自大爆炸的引力波,还能帮助科学家更好地理解宇宙的构成。


中国“慧眼”做出重要贡献


在这场天文学史上极为罕见的全球规模的联合观测中,天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测,中国亦扮演了不可或缺的角色——引力波事件发生时,仅有4台X射线和伽玛射线望远镜成功监测到了引力波源所在的天区,由国家国防科技工业局和中国科学院联合资助建造的慧眼望远镜便是其中之一。


慧眼望远镜示意图。


“虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离(约1.3亿光年)的双中子星并合产生的引力波闪将极为明亮,但事实是闪出乎意料的暗弱。”熊少林说,由于引力波在高能区的辐射十分微弱,一度没有望远镜能在这个能区内探测到引力波闪。


最初为探测黑洞和中子星等银河系内的X射线天体而设计的慧眼望远镜也不例外。“继LIGO合作组2016年宣布探测到引力波后,发现引力波事件的电磁对应体成为最重要的天体物理问题之一。”鉴于此,中国科学院高能物理研究所对慧眼望远镜的部分性能进一步优化,增加了探测引力波电磁对应体的高能辐射的能力。


“在这些望远镜中,‘慧眼’在0.2-5 MeV能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好,因此对引力波闪的百万电子伏特(MeV)能区的伽马射线辐射的探测能力最强。凭借强大的探测性能,对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限。”熊少林表示。


双中子星并合过程示意图。


不过,科学家们的目标不止于此。“如果专门探测引力波闪的引力波高能电磁对应体全天监测器项目能够立即立项,并在2020年前发射升空,从而赶上与最佳灵敏度的LIGO和Virgo等引力波探测器进行联合观测,我国在引力波电磁对应体的探测研究上有望达到国际领先水平。”熊少林说。


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