南京紫金山天文台:北京时间下周一晚10点,将会与NASA联合发布重大消息。
欧洲南方天文台:北京时间下周一晚10点,将会发布重大消息。
清华大学LIG0工作组:北京时间下周二上午,将会发布重大消息。
澳大利亚OzGrav团队:北京时间下周二上午,将会发布重大消息。
这么大的阵势,到底是出了什么大事?
2017年10月中旬,国内外的数十家科研机构搞的这次大新闻预警着实在网络上掀起了不小的波澜。不过,尽管科学家还在刻意保留悬念,实际上流言早已经传遍了天文圈内外。早在8月的时候,有些科学家,甚至还有著名学术期刊《自然》就剧透了这个“重大发现”。
到了10月16日,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织等科研机构的新闻发布会先后召开,揭晓了答案。正如此前的传言,这个令天文学界兴奋异常的事件,就是美国和欧洲的引力波天文台LIGO和室女座引力波天文台(Virgo)在8月发现了两颗中子星并合发出的引力波。不仅如此,全球的数十个地面和空间的望远镜和探测器还发现了这次并合发出的各个波段的电磁波。可以说,天文学家不仅“听见“了,而且看见这两颗中子星的碰撞。
此前,LIGO已经发现了黑洞并合发出的引力波,项目的领导人也因此荣获了2017年度的诺贝尔物理学奖。但发现中子星发出的引力波,还是史上第一次。不同于并合时除了发出引力波之外几乎默不作声的黑洞,中子星并合时总是伴随着丰富多彩的天体物理过程。也正因为如此,那些观测伽马射线、可见光乃至红外线的望远镜才能参与进来,捕捉到这次事件。
中子星是大质量恒星耗尽核燃料后留下的致密残骸,宇宙中有诸多恒星都是双星系统的成员,如果一对大质量双星在演化直至双双成为中子星的过程中没有分开,就会留下一对中子星。说起来,中子星,尤其是双中子星与引力波渊源颇深。在LIGO直接探测到引力波之前,曾有另外一项关于引力波的研究获得了诺贝尔物理学奖,那个研究的对象,也是一对中子星组成的双星系统。
一些中子星会发出时间间隔极为稳定的射电脉冲信号,因此也被称为脉冲星。天文学家在观测一对脉冲星的时候,发现它们相互绕转的轨道周期在逐渐缩短,距离变得越来越近,而这正完美印证了爱因斯坦广义相对论的预言。根据广义相对论,相互绕转的中子星会周期性地搅动周围的时空,激起时空涟漪,也就是引力波。正是引力波辐射带走了中子星的轨道能量,使得它们变得越来越近。这是科学史上第一个证明引力波的确存在的证据,虽然只是间接证据,却也意义非凡。
距离不断接近的两颗中子星注定会撞在一起,而在即将碰撞的最后一刻,引力波的信号最为显著。北京时间2017年8月17日20时41分04秒,LIGO-Virgo引力波探测器网络就捕捉到了这样的引力波信号。而在1.7秒后,NASA的费米伽马射线空间望远镜,也在NGC4993星系中捕捉到了一次伽马射线暴。伽马暴是某些天体突然发出高强度伽马射线的现象,往往与大质量恒星坍缩有关,恒星坍缩时释放出的巨大能量会驱动一些物质形成接近光速的喷流,从而发出伽马射线。而两颗中子星并合也有类似效果,它们碰撞后会沿着自转轴的方向高速喷射物质,发出强烈的伽马射线。而引力波是在两颗中子星撞到一起前发出的。随着两颗中子星轨道越来越接近,引力波也越来越强,最终被我们探测到。它同样以光速传播,因此要比伽马射线更早一点抵达地球。
伴随着伽马射线暴的引力波,可就不是一般的黑洞并合了,得知这一消息的天文学家立刻兴奋起来。要知道,虽然LIGO已经发现若干次引力波事件,但那都是源于黑洞并合,除了引力波一无所有,多数天文学家都只能在一边看着,无法参与。但如果引力波是源于中子星并合那就不一样了,伴随它而来的还会有伽马射线、X射线、可见光和红外线等各种波长的电磁波,于是全世界天文学家迅速行动起来,把地面和空间的70多个望远镜对准了这次引力波的来源天区。
这次史无前例的联合观测不但确认了并合的中子星的位置,还观测了伽马暴和伽马暴留下的短暂余晖。观测结果表明,这次的引力波源距离我们1.3亿光年,是目前探测到的所有引力波源中最近的一例,科学家也确定了两个中子星的质量分别大约是1.15和1.6个太阳质量,合并后的天体质量约为2.74个太阳质量。损失的质量为喷射出的物质。
此外,天文学家还在伽马射线暴之后看到了发出红光的“千新星”。中子星在并合后可能产生一颗更大的中子星,也可能是一个黑洞(科学家还无法确定这次并合的产物到底是什么),但不论如何,总有一些物质要剥离下来,
留在宇宙空间中。在这团笼罩于新中子星或黑洞周围的物质中,游离的中子和质子会互相结合,形成一些很重的元素,如金、铂、汞,以及铀、钍等放射性元素。放射性元素会让残骸云团短暂发光,看起来像一颗超新星,不过要暗得多,但它又要比白矮星爆发时产生的新星现象亮很多,大概有1000倍,所以天文学家称之为千新星。但它们的衰变速度非常快,很快你就无法再观测到。
实际上,科学家认为,宇宙中,当然也包括地球上的金、铂等贵金属的主要来源就是中子星并合后产生的千新星。天文学家观测到的这次并合产生的黄金,大概足有地球质量的300倍。有趣的是,在中子星引力波新闻发布的当天,国际金价也突然下跌,不知是巧合,还是千新星让投资人对黄金失去了信心。
同时探测到的引力波和电磁辐射,给了天文学家极佳的研究机会。利用这次中子星并合,他们不但能研究中子星的结构,验证中子星并合的理论,甚至还能测算宇宙膨胀的速率。另外,相关的论文也呈井喷之势,在新闻发布前后,就已经有了上百篇。而在未来,这样的机会还会越来越多。用天文学家的话说,天文学已经进入了一个“多信使”的时代,过去只能靠电磁波传达遥远天体信息的我们,又多了引力波这个重要的信使,对宇宙的探索必然取得更丰沛的成果。