中子星引力波 | 科学家成为谣言制造者?

摘要: “发现”新型引力波?!

09-06 16:56 首页 中国国家天文


两颗中子星合并造成引力波?



科学家成谣言制造者?

未经证实便声称发现新型引力波。


借助美国的激光干涉引力波天文台(以下简称LIGO),天体物理学家可能在上周探测到新型引力波。这一次的引力波由遥远星系NGC 4993的两颗中子星合并所致。聚焦同一区域的望远镜也可能发现这一事件。但在观测结果未经证实前,发现新型引力波的谣言便在网上迅速传播,一度让科学界陷入兴奋之中。这一次,科学家扮演了谣言制造者的角色。


长蛇座的NGC 4993星系(图上模糊的亮点)。有传闻称,探测器捕捉到NGC 4993中子星合并产生的引力波。


如果证实发现新型引力波,那么将标志着天文学研究进入了新时代。在这个新时代,随着时空结构的振动,传统望远镜不仅能“看到”同时还能“听到”所观测的天文现象。伊利诺伊大学香槟分校的天体物理学家斯图亚特·沙皮罗表示:“这是一项不可思议的进步,将大大加深我们对宇宙的认知。”


中子星合并模拟图,白线为磁场线。


对于网上的传闻,引力波探测器项目的科学家并没有发表评论,因为数据还在分析当中。公开记录显示世界各地的望远镜都将目光对准这个星系,但天文学家提醒他们捕捉的信号来可能自于一个无关的源头。



放出什么谣言?


形象地说,引力波就是时空结构泛起的涟漪。迄今为止,美国的LIGO天文台已经3次探测到黑洞相撞产生的引力波。科学家一直希望能够捕捉到其它宇宙灾难导致的引力波,例如中子星合并。中子星是大体积恒星的爆炸残余,但仍有足够质量,合并塌缩成黑洞。中子星合并能够放射出全电磁波谱辐射——从射电波段到伽玛射线——并且被望远镜捕捉到。


两个正在并合的中子星,互相旋近并辐射出引力波,但相比双黑洞系统更难发现。 然而,它们应该具有光学对应体,有可能成为引力空间和电磁天空关联起来的第一类天体。


8月18日,德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家克雷格·惠勒成为谣言的始作俑者。他在推特发帖称:“LIGO天文台上演新发现。源头是发现存在光学对应体的引力波源。真的是太棒了!”一小时后,华盛顿大学的天文学家彼得·约阿希姆也在推特上发帖,称LIGO天文台捕捉到来自NGC 4993星系一个光学对应体的信号(望远镜能够对这种辐射源进行观测)。NGC 4993坐落于长蛇座,距地球约1.3亿光年。约阿希姆称:“源头是合并的两颗中子星。”几名不愿透露姓名的天文学家表示,在惠勒和约阿希姆发帖前,谣言只在私下传播。


引起天文学家猜测风暴的推文。


如果研究引力波的科学家发现信号,他们有可能迅速判断信号究竟是来自碰撞的黑洞还是合并的中子星,因为这两种事件都有其独特特征。不过,对数据仍需进行更细致研究,以进一步明确信号源头。


LIGO望远镜的范围和其探测并合黑洞的能力。 并合中子星可能只有十分之一的范围和0.1%的体积,但如果中子星数量足够多,LIGO也可能有机会探测到它们。


图片来源:LIGO Collaboration / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas of the Universe


作为LIGO的姊妹天文台,意大利比萨的欧洲引力波天文台(以下简称Virgo)8月以来便帮助LIGO搜寻引力波。它可能也发现了这一事件。在伸出援助之手前,Virgo天文台曾因升级而休息了一段时间。有了它的加盟,科学家更有信心确认引力波源头。Virgo天文台升级工作负责人、物理学家乔瓦尼·罗斯尔多表示,Virgo的灵敏度处于中等水平,只能探测到距地球2500万到2700万光年的中子星合并,但在某些太空区域,它能够看得更远,最远可达到6000万光年。


最初,惠勒和约阿希姆都拒绝发表评论。随后,惠勒发推文道歉,称“不管对与错,我都不应该发这条推文。应该由LIGO在适当的时候对外宣布。这是我的过失。”



哪些望远镜上阵?


多名不愿透露姓名的天文学家表示,有传闻称美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜探测到来自潜在引力波源头,也就是NGC 4993星系的伽玛射线。对于发现新型引力波的传闻,费米项目的一名资深成员拒绝发表评论。


有科学家认为中子星合并或许就是神秘莫测的短时标伽马暴(GRBs)的源头。伽玛射线暴非常短暂,只持续数秒钟,通常伴随可见光余辉,有时也会伴随无线电波和X射线余辉;余辉可持续数天。天文学家警告称,即使费米望远镜探测到伽玛暴,也无法精确锁定源头。



两个中子星的旋进和合并应该产生非常特定的引力波信号,但合并的时刻也应该产生唯一和可识别的电磁辐射。/NASA


就在天文学家发出警告后不久,更强有力的证据浮出水面,证明多架望远镜对NGC 4993星系进行观测。8月22日,推特简讯“太空望远镜直播”公布了哈勃太空望远镜的最新动向,称一组天文学家正利用哈勃的光谱仪对一个双中子星合并进行观测。光谱仪通常用于观测伽玛暴的余辉。但这条推文已被删除。



8月23日,有人在卡迪夫大学天体物理学家彼得·科勒斯的博客上发表评论称,美国宇航局的钱德拉X射线望远镜也加入到这一行列。根据钱德拉望远镜网站上的公开记录,8月19日曾进行一次观测。当时,这架望远镜瞄准NGC 4993星系的天体坐标,观测所谓的SGRB170817A事件,即2017年8月17日的短时标伽马暴。公开记录中最引人注目的地方就是所谓的“触发准则”,解释了NGC 4993为何能够力压计划内的其它观测对象,获得钱德拉望远镜的“恩宠”。记录称:“LIGO和VIRGO都探测到引力波源头。”


当两个中子星合并时,它们应该会产生伽马射线暴喷流以及其它电磁现象。如果它们距离地球足够近,那么一些大型望远镜就有可能看到。


/NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz and L. Rezzolla


从其它大型天文观测设施的公开记录中获取的信息显示,它们也在8月18日和19日对NGC 4993进行了观测,其中包括欧洲南方天文台的甚大望远镜阵列以及智利的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列。



中子星合并能够提供哪些信息?


黑洞合并产生的引力波信号较为短暂,通常只持续1秒钟,甚至更短。中子星合并产生的信号可持续1分钟,因为中子星的质量不及黑洞,放射的引力波强度较弱,需要更长时间旋近。相关事件持续时间越长,科学家越能准确验证爱因斯坦的广义相对论——预言引力波存在——同时还可以获取中子星起源的更多线索。




发现短时标伽马暴进行观测同样具有重要意义,这不仅因为伽玛暴与引力波有关,同时还能验证拥有几十年历史的天体物理学理论,即伽玛暴与中子星碰撞有关。美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家埃莉奥诺拉·特罗亚表示:“只有引力波能够为我们提供确凿证据。”


正如这里所展示的,在两个中子星旋近和合并期间,应该会释放巨大的能量、重元素、引力波和电磁波信号。/NASA/JPL


短时标伽马暴本身就是一项重大发现。迄今为止观测到的绝大多数伽玛暴都在距地球几十亿光年的遥远宇宙。宾夕法尼亚州立大学天体物理学家德莱克·福克斯表示,NGC 4993距地球4000万光年,可能是目前发现的距地球最近的短时标伽马暴。


碰撞时以及撞击后瞬间的引力波细节能够揭示中子星的结构,同时帮助科学家确定合并产物——再度成为中子星,还是变成一个新黑洞?对于中子星的结构,科学家知之甚少。



何时公布结果?


据LIGO天文台发言人、麻省理工学院物理学家大卫·舒梅克透露,LIGO和Virgo天文台将于8月25日结束数据收集工作。在此之后,研究人员将公布最新进展。他们会发一条短消息,宣布LIGO是否发现需要进一步分析的潜在“候选事件”。他说:“我们需要时间对数据进行分析,以确保拥有足够信心对外公布研究结果。”


期望双黑洞产生的电磁波信号应该是不可观测的,如果存在一个电磁对应体,它应该是由双中子星产生的。/NASA / Dana Berry ,Skyworks Digital



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激动~

企鹅科学NASA中文中国国家天文联合报道

翻译 / 牛树军  审校 / 苟利军 傅煜铭

编辑 / 怀尘


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