震撼夺目！天文望远镜首次“捕捉”引力波之光

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2017-10-18 07:47  来源:中国新闻网




中新网10月18日电 北京时间16日晚10点，多国科学家宣布探测到中子星引力波事件，引发广泛关注。此次引力波探测的一大特点是不仅能“听到”，还能“看到”。欧洲南方天文台(ESO)16日就在网站发布了用天文望远镜“看到”的引力波之光。




欧洲南方天文台（ESO）的望远镜捕捉到的双子星引力波之光。（ESO）



ESO的望远镜首次探测到引力波对应的光学信号，并在网站上公布了捕捉到的引力波之光画面。

画面中的引力波之光，中心如巨型钻石一般璀璨夺目，钻石周围形成泛着紫色和蓝色的光圈，一束光线如利剑一般从钻石中心穿过，带给人极为震撼的视觉效果。

分析称，此次引力波新发现标志着多信使天文学新时代的开启。因为此次中子星引力波发现是人类历史上第一次使用引力波天文台和其它天文望远镜同时观测到了同一个天体物理事件。

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刷屏的中子星并合是什么？一次甩出重达300个地球的黄金

2017-10-18 07:37
来源:观察者网



人类首次发现双中子星并合引力波：验证了短时标伽玛暴起源于双中子星合并


如果一定要说和我们的日常生活最紧密的联系——那就是，科学家们这次证实了，中子星并合，是宇宙中比铁还重的元素的起源，比如我们熟悉的金子。换句话说，中子星并合，是宇宙的大型炼金炉！


宇宙中的金子，从何而来？


长久以来，科学家们都无法确定宇宙中的金、铂、铀等重元素从何而来。

宇宙早期只有氢、氦等氢元素，一颗恒星的命运就从这里开始。在恒星随后的演化过程中，随着核聚变反应，质子数更高的重元素得以生成。然而，宇宙天然的核聚变，最重只能产生到包含26个质子的铁元素。这是因为，铁元素的核子结合能到达了一个顶峰，把其中的质子和中子拆开，需要极高的能量，恒心内部这个“炼金炉”，并不能满足。

科学家们一度认为，恒星寿命末期的超新星爆炸，足够提供这种能量。然而，这个假设逐渐被后续的发现击破。

宇宙需要一个更大、更热的炼金炉。

在过去几年间，天文物理学家们开始形成主流认识：中子星并合是最有说服力的机制。

中子星的密度有多大？一茶匙重达10亿吨

当一个恒星走向寿命尽头，经由引力坍缩发生超新星爆炸，根据质量的不同，内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成，是目前已知的最小、致密的恒星。中子和质子一样，都是组成原子的粒子，但呈电中性，比质子略大。

中子星的半径普遍在10公里左右，质量却可超过两个太阳。一茶匙中子星物质就重达10亿吨。

1933年，人类发现了中子。次年，美国物理学家沃尔特·巴德（Walter Baade）和瑞士弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）提出了中子星的假设。

1967年，24岁的剑桥大学女研究生乔斯林·贝尔（Bell）从射电望远镜中发现了一些有规律的脉冲信号。这类新的天体后来被命名为脉冲星，其实，它们本质上是高速旋转的中子星，在旋转过程中周期性地发射出电磁波。

中国贵州“天眼”射电望远镜近日成功捕获到了脉冲星信号，标志着中国进入脉冲星观测俱乐部。

两颗中子星围绕共同的中心旋转，就构成了一个双中子星系统。它们在旋转过程中会不断释放引力波，导致系统的能量降低，轨道缩小，并最终撞在一起，发生并合。科学家们现在还不确定并合后的形态，很可能是一个黑洞。



并合：电光石火，金银迸溅

超铁元素就诞生在此时。双中子星并合过程中，不断甩出一些中子星碎块——大部分是中子，少数是质子。

在碰撞发生的一秒钟内，这些中子星碎块扩散到数十公里开外，形成一团与太阳密度相当的云。在这个“炼金炉”中，中子和质子们互相俘获，形成大量富含中子的不稳定的同位素。中子会迅速衰变为质子，形成金等重元素。

据估计，中子星的一次碰撞，能够形成足有300个地球那么重的黄金。这些“宇宙焰火”的余烬，被撒入广袤无垠的宇宙，其中一部分在46亿年前与地球凝为一体。它们又被开采锻铸，成为人类手中的金币，项上的首饰……

这次为中子星并合形成重元素提供重要佐证的，就是并合后的光点颜色由蓝变红，与理论模型预测相吻合。



“宇宙焰火”的余晖

这个越来越红的光点，就来自“光学对应体”：Li-Paczynski macronova(巨新星)。

该现象由1998年首次预言的中国天文学家、北京大学教授李立新及其已故的合作者Bodhan Paczynski命名。

2010年，普林斯顿大学的Metzger与合作者发现该现象的亮度能达到新星的1000倍左右，因而也被称为“千新星”。

除了可见光和红外线外，中子星并合时形成的吸积盘会在旋转轴处形成伽马短暴，该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后数周内，这场大并合仍会继续发出其他频段的光，包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波等，是“宇宙焰火”漫长的余晖。

回到事件的开头。在这场“炼金”的“宇宙焰火”中，引力波扮演了怎样的角色呢？

原来，前面提到的可见光、红外线、紫外线、X射线、伽玛射线等，都是电磁波，是由光子承载的光学信号。长期以来，这几乎是科学家们用于感知宇宙的唯一一扇窗口。

而引力波是由质量引发的时空扭曲，被人形象地比喻为“时空的涟漪”。当我们想象一件有质量的物体落入水面，就会产生一系列振动传播看来。我们的宇宙也如水面一般，整体平静，暗流汹涌，质量的扰动会触发引力波，散播开来。中子星并合事件，就能产生较为强烈的引力波。

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论，然而，因宇宙中传到地球的引力波过于微弱，爱因斯坦本人也想不到探测的方法。这个“时空的涟漪”，最终在2015年由LIGO团队实现。

LIGO过去4次观测到的引力波，均由黑洞触发。黑洞吸收光线，可谓“听到看不着”。这次，LIGO在识别出比黑洞质量小得多的天体——中子星触发的引力波信号后，全球70多架望远镜纷纷指向1.3亿光年外的NGC 4993星系，观看“焰火”。

从此，人类对浩瀚宇宙的感知方式，从单纯的“看”之外，又增添了一种，可相互印证。科学家们称之为，“多信使天文学”时代。

这或许比我们找到金子的起源更为重要。