這一次重大發(fā)現(xiàn)，中國(guó)科學(xué)家“與全球同步”
北京時(shí)間16日晚10時(shí)，夜幕下，位于南京鼓樓的中科院紫金山天文臺(tái)四樓會(huì)議室燈火通明，一場(chǎng)與全球多國(guó)科學(xué)家同步舉行的重大新聞發(fā)布會(huì)正在舉行。當(dāng)紫金山天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)楊戟宣布，包括紫臺(tái)在內(nèi)的科學(xué)家第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)時(shí)，人群沸騰了!
宇宙深處傳來(lái)的“天籟之音”
要言及“雙中子星引力波事件”，首先必須了解“引力波”。紫金山天文臺(tái)研究員吳雪峰介紹說(shuō)：“引力波是一種時(shí)空漣漪，如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞過(guò)程中有可能產(chǎn)生引力波?！睋?jù)了解，100年前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，廣義相對(duì)論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí)，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。
在上個(gè)世紀(jì)40年代，曾有不少物理學(xué)家質(zhì)疑引力波的存在，另外還有大部分的物理學(xué)家認(rèn)為，引力波如此微弱，是不可能探測(cè)到的，引力波成為天文觀測(cè)的最后一塊空白。
天體劇烈活動(dòng)引起的時(shí)空擾動(dòng)，好比在浩渺的宇宙中央投下一顆石子，歷經(jīng)10多億年漫漫星系之旅，時(shí)空的漣漪最終與地球邂逅1秒鐘。2016年2月11日，美國(guó)科學(xué)家宣布探測(cè)到引力波，無(wú)異于石破天驚，引爆全球關(guān)注熱潮，因?yàn)槿祟悶榱诉@最后1秒的相遇，已苦苦探尋百年。
引力波，被譽(yù)為從浩瀚宇宙深處傳來(lái)的“天籟之音”，它的發(fā)現(xiàn)改變了歷史，直接探測(cè)到引力波相當(dāng)于完成了對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論驗(yàn)證的“最后一塊缺失的拼圖”。這意味著我們不單單能通過(guò)電磁波觀測(cè)宇宙，還能運(yùn)用引力波。“打一個(gè)比喻，電磁波是用‘看’的話，引力波更像是用耳朵去‘聽’?！眳茄┓褰忉屨f(shuō)。
截至目前，人類已發(fā)現(xiàn)4例由雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波。2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，頒給了3名為引力波探測(cè)作出重要貢獻(xiàn)的美國(guó)科學(xué)家，引力波天文學(xué)的時(shí)代正在到來(lái)。
全球天文望遠(yuǎn)鏡齊捕“引力波”
今年8月17日，美國(guó)激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）和歐洲“室女座”引力波探測(cè)器（VIRGO）同時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的引力波信號(hào)GW170817。與前4例黑洞合并所產(chǎn)生的引力波不同，GW170817是一個(gè)由雙中子星合并產(chǎn)生的引力波。全球約70個(gè)地面及空間望遠(yuǎn)鏡從紅外、X光、紫外和射電等多個(gè)波段開展后續(xù)觀測(cè)，確認(rèn)引力波信號(hào)來(lái)自距離地球約1.3億光年的長(zhǎng)蛇座內(nèi)NGC4993星系，兩顆中子星的質(zhì)量均不超過(guò)太陽(yáng)的兩倍。
“8月17日，美國(guó)LIGO在亞利桑那州和華盛頓州的觀測(cè)站，以及位于意大利的VIRGO觀測(cè)站在幾毫秒的時(shí)間差中，接收到了引力波GW170817信號(hào)?！弊辖鹕教煳呐_(tái)王力帆研究員介紹，之后1.7秒后，美國(guó)宇航局Fermi伽瑪射線衛(wèi)星和歐洲INTEGRAL衛(wèi)星都探測(cè)到了一個(gè)極弱的短時(shí)標(biāo)伽瑪暴GRB 170817A。就像三顆衛(wèi)星就可以進(jìn)行GPS定位一樣，LIGO和VIRGO接收到的信號(hào)使引力波來(lái)源被“定位”在10平方度范圍內(nèi)，大約相當(dāng)于45個(gè)太陽(yáng)所占據(jù)的天區(qū)，全球各地的天文機(jī)構(gòu)紛紛行動(dòng)起來(lái)，采用伽瑪射線、X射線、紫外、光學(xué)和射電等多種手段，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了地毯式搜索。
中子星的質(zhì)量通常是太陽(yáng)的1—3倍，而黑洞的質(zhì)量則通常在太陽(yáng)的幾十倍以上，因此黑洞合并就像一塊大石頭投進(jìn)水中，引發(fā)的漣漪較大，容易接收，而中子星合并則像往水里扔一塊小石頭，引發(fā)的引力波事件不太容易監(jiān)測(cè)，因此引力波事件GW170817雖然仍然“余波蕩漾”，但是因?yàn)樾盘?hào)太弱，目前地球上已經(jīng)無(wú)法接收到相關(guān)信號(hào)。
由中子星合并探尋宇宙“黃金之源”
人類直接探測(cè)到引力波，無(wú)疑是本世紀(jì)迄今為止，在天文學(xué)領(lǐng)域最具里程碑意義的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，就像望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明或太空無(wú)線電波的發(fā)現(xiàn)一樣。引力波事件GW170817的發(fā)現(xiàn)，更意味著全球天文界已經(jīng)可以把引力波探測(cè)從前沿手段變成常規(guī)手段，也標(biāo)志著以多種觀測(cè)方式為特點(diǎn)的“多信使”天文學(xué)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。
對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，研究宇宙和天體的信息載體，從電磁波延伸到了引力波，不單讓現(xiàn)代物理學(xué)的根基更加堅(jiān)實(shí)，也意味著科學(xué)家抓住了揭開宇宙奧秘的“鑰匙”，有助于人類洞悉整個(gè)宇宙的起源和運(yùn)行機(jī)制。如果找到合適的引力波，人們將有機(jī)會(huì)為大爆炸等一系列基本物理假設(shè)找到證據(jù)。到那時(shí)，人類會(huì)以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。
“中子星合并是宇宙的‘巨型黃金制造廠’，借助引力波探究中子星，可以讓人類窺見金、銀等超鐵元素是如何在宇宙中產(chǎn)生的。”紫金山天文臺(tái)研究員王力帆介紹說(shuō)，他參加的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，通過(guò)引力波光學(xué)信號(hào)的觀測(cè)和光譜分析確定，此次雙中子星合并拋射出1%量級(jí)太陽(yáng)質(zhì)量（超過(guò)3000個(gè)地球質(zhì)量）的物質(zhì)，這些物質(zhì)以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過(guò)程中部分物質(zhì)發(fā)生核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波光學(xué)對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了雙中子星合并事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。
另一方面，在引力波探測(cè)的牽引下，將會(huì)帶動(dòng)激光、材料、光學(xué)、工程、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科前沿的發(fā)展，LIGO的很多技術(shù)將對(duì)甚至已經(jīng)對(duì)半導(dǎo)體制造、能源、材料、大數(shù)據(jù)等實(shí)用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
這一次中國(guó)科學(xué)家沒有錯(cuò)過(guò)
身在南京的中科院紫金山天文臺(tái)博士生胡鐳是負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控南極巡天望遠(yuǎn)鏡的工作人員，他第一個(gè)注意到望遠(yuǎn)鏡AST3-2“有情況”。
8月18日21：10，即引力波事件GW170817被監(jiān)測(cè)到24小時(shí)后，中國(guó)科學(xué)家利用正在中國(guó)南極昆侖站運(yùn)行的AST3-2展開了長(zhǎng)達(dá)10天的有效觀測(cè)，不僅獲得了大量重要數(shù)據(jù)，而且探測(cè)到此次引力波事件的光學(xué)信號(hào)。中國(guó)科學(xué)家的此次觀測(cè)可謂克服了重重困難，一方面是天文望遠(yuǎn)鏡架設(shè)于南極大陸最高點(diǎn)，而引力波事件GW170817在其觀測(cè)的邊緣區(qū)，這意味著需要把望遠(yuǎn)鏡指向距離地面只有二十幾度的方向，這已經(jīng)是AST3-2的極限，一旦卡住就會(huì)在南極的夏天被陽(yáng)光直射造成損害。另一方面，從一片光芒的星系中尋找到雙子星合并發(fā)出的光學(xué)信號(hào)難度極大，這相當(dāng)于在茫茫燈海中尋找一只螢火蟲，需要進(jìn)行特殊的信號(hào)處理。
經(jīng)過(guò)幾天的數(shù)據(jù)采集，以及對(duì)緩慢數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却?，紫金山天文臺(tái)南極天文中心的兩名博士生胡鐳、孫天瑞在國(guó)家天文臺(tái)的博士生馬斌和南京大學(xué)的博士生梁恩思同學(xué)的協(xié)作下，調(diào)試好了數(shù)據(jù)分析程序，干擾螢火蟲光芒的“燈海”被成功地關(guān)掉，8月18日觀測(cè)圖像中的光學(xué)信號(hào)也終于浮出了水面。隨后，紫臺(tái)吳雪峰研究員和南京大學(xué)戴子高教授等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并計(jì)算出此次雙子星合并拋射出的物質(zhì)質(zhì)量。
國(guó)家天文臺(tái)南極團(tuán)組負(fù)責(zé)人商朝暉說(shuō)，AST3-2是我國(guó)在昆侖站安裝的第二臺(tái)南極巡天望遠(yuǎn)鏡，是南極現(xiàn)有最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并且實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下無(wú)人值守全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。目前，它主要進(jìn)行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學(xué)對(duì)應(yīng)體探測(cè)等天文研究。此次我國(guó)南極望遠(yuǎn)鏡成功追蹤并獨(dú)立觀測(cè)到GW170817引力波光學(xué)信號(hào)，意味著中國(guó)天文設(shè)備正加入國(guó)際關(guān)鍵天文事件的直接觀測(cè)。
本報(bào)記者 王宏偉 吳紅梅
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