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70台望远镜“合力” 引力波以后可能天天都见

2017-10-19 12:54| 来源: 第一财经日报 | 查看: 1811| 评论: 0| 责编: cfso5068

摘要:   100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在;今天,中国和世界科学界一起,站在了引力波观测的前列。
  100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在;今天,中国和世界科学界一起,站在了引力波观测的前列。北京时间10月16日晚上10点,美国国家科学基金会、欧洲南方天文台、中国中科院紫金山天文台等机构同步召开新闻发布会,宣布第一次同时“听到”和“看到”来自双中子星并合的一次引力波事件。
  美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)执行主任戴维·赖茨几乎是一字一顿地宣布,人类——第一次——“看到”了两颗中子星碰撞发出的引力波和光。
双中子星即将碰撞时的神奇景象。(图片来源:NASA)
  就在10月3日,因为发起并领导LIGO项目,并因将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域做出的贡献,三位科学家荣膺2017年诺贝尔物理学奖。
  “此次双中子星并合发生在8月17日,科学家已经找到了双子星碰撞引力波及其光学对应体,这个问题应该大功告成了。”早在10月3日诺贝尔物理学奖揭晓前,中国科学院紫金山天文台副台长常进告诉第一财经记者。
  距离8月17日引力波事件发生24小时后,中国南极巡天望远镜AST3合作团队在中国南极昆仑站开展了有效的观测,并探测到此次引力波事件的光学信号。
  紫金山天文台研究员、南极巡天望远镜负责人王立帆向第一财经表示,全球科学在引力波观测上的合作,改变了传统天文研究“单兵作战”的模式,让整个项目成为了全球联合的“大科学项目”。
以后可能每天都有新发现
  这次发现是由美国的LIGO和欧洲的室女座干涉仪(Virgo)引力波探测器,以及包括紫金山天文台在内的70个地面和空间望远镜共同完成的。
  8月17日北京时间20时41分04秒,由双中子星并合产生的引力波被观测到;在随后的2秒钟之内,美国国家航空航天局(NASA)的费米(Fermi)伽马射线卫星和欧洲Integral卫星都探测到了一个极其微弱的短时标伽马暴(即引力波)。之后的数小时至十几天里,全球十几台天文设备对被命名为GW 170817的此次引力波事件开展观测。
  清华大学信息技术研究院LIGO科学合作工作组是此次中国唯一参与观测引力波的团队。自2009年成为LIGO科学合作组织正式成员以来,清华大学LIGO团队参与了迄今为止的所有引力波的发现。
  清华大学信息技术研究院曹军威、范锡龙和计算机系都志辉向第一财经记者介绍,工作组近两年来在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面展开了算法设计、性能优化与软件开发等方面的工作。
  据透露,清华大学LIGO科学合作工作组的主要研究工作包括:构建了“利用已知脉冲星群组性质探测连续引力波”的方法,并利用该方法搜索信号;完善“贝叶斯多信使天文学框架”,并且用该框架研究引力波;进一步优化了GPU加速在线致密双星并合信号搜寻程序流水线;探索深度学习在引力波实施数据分析中的应用等。
  曹军威在清华大学的引力波发布会上对第一财经记者表示:“我们所做的工作是引力波上千人团队中的很小一部分。但目前这些工作得到了国家自然科学基金委员会和清华大学自主科研计划的资助。”
  他还说,近年来,清华大学LIGO工作组积极参与引力波国际合作研究,与美国麻省理工学院、加利福尼亚理工学院、西澳大利亚大学、英国格拉斯哥大学等密切合作,积极参与国际第三代引力波探测器的研讨。
  曹军威向第一财经记者透露,未来引力波探测器的灵敏度会更高。他表示,至此,引力波探测器的第二次科学运行已于8月25日结束,第三次科学运行的启动要等到明年8月左右。这期间科学家将对引力波的探测设备再做升级,因此灵敏度会更高,大约提高8倍。
  “原来每年只能观测到几次信号,以后可能每个月或者每天都能观测到几次。”曹军威对第一财经记者表示,“到时候会产生大量的数据,数据的分析处理是否能够跟上要求会是一个大的挑战。”
  人类开启了引力波天文学和多信使天文学的时代,使得未来让人期待。据曹军威介绍,这次引力波事件中,科学家还探测到了一些尚未发布的内容,将会在证据确凿后逐一公布。
来自中国的“慧眼”
  在此次引力波事件的观测中,中国科学家也跻身前列,不仅包括一直在进行积极探测引力波的清华大学LIGO工作组,中国的三大观测“利器”亦参与其中,它们分别是南极巡天望远镜、刚刚发射运行的中科院“慧眼”天文卫星和紫金山天文台。
  自北京时间8月18日21时起,中国南极巡天望远镜AST3合作团队就利用正在中国南极昆仑站运行的第二台望远镜对GW 170817开展观测,一直持续到8月28日,其间获得了大量的数据,并探测到了引力波事件的光学信号。
  “本来巡天望远镜的观测都快结束了,因为地平线已经非常低,不是最佳观测角度了,但我们还是探测到了这次引力波的光学信号,而且我们提供的数据也是很有用的。”王立帆告诉第一财经记者。
  他对第一财经记者说:“以前天文学家是孤独的,没有‘大同’,现在成立上千人的项目,这种方式对现代天文学的研究有重要的意义。”
  王立帆还介绍说,巡天光学望远镜的观测内容非常广泛,今年最重要的科学目标和项目是观测太阳系外的类地行星,但目前还在研究阶段。
迈入多信使天文学时代
  人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件,意义非凡。“科学家们发现了期待中的电磁对应体,标志着多信使天文学的开端,生逢这个时代真是无比幸运,但这一切都还只是开始。”上海天文台副台长沈志强对第一财经记者表示。
  什么是多信使天文学?打个比方,这就是宇宙级的“盲人摸象”。随着科学的发展,人们逐渐认识到在可见光之外,宇宙中还存在X射线、无线电波等看不见的电磁波。通过探测它们,可以触摸到宇宙这只“大象”的另外一些方面。
  GW 170817的警报发布时,其空间位置正对着澳大利亚的上方,但是南非和智利的望远镜也同时在观测。GW 170817被观测到之后的10小时52分,Swope望远镜在编号为NGC 4993的长蛇座星系中观测到明亮的可见光源,这是一颗衰变的富中子物质产生的明亮的千新星,并形成了金和铂等重金属元素。科学家由此确定了GW 170817引力波事件发生在距离地球1.3亿光年之外。
  引力波和电磁波来自于两种不同的机制,而现在引力波和电磁波锁定了同一片天空区域,将不同的观测联系到了一起。引力波天文学为理解中子星的性质提供了电磁天文学本身所不能实现的新机会。
“已知”中蕴含“未知”
  不过,“已知世界”中蕴含着更多的未知。曹军威举例称,在此次的引力波事件中就至少蕴含着两个未知事件,科学家仍然无法通过现有数据对其进行判断:其一,此次引力波究竟是两个中子星的并合还是一个中子星和一个黑洞的并合其实是不得而知的,只是根据已知的中子星的质量来推断,科学家偏向于认为是两个中子星的并合;其二,是两个中子星并合后的星到底是什么星。
  英国格拉斯哥大学LIGO科学合作组织成员王毅熊(IkSiongHeng)对第一财经记者表示:“两个中子星并合后,有三种可能性,第一一种是并合成一个黑洞;第二种是并合成一个较大的中子星,持续一段时间后,再变成黑洞;第三种是并合成中子星,但这种可能性不大。”
  王毅熊表示,对于中子星的观测开启了引力波天文学。它所暗含的意思是,只要根据一个信号就可以知道中子星并合的频率。人类每年可以看到320~4270个中子星并合事件。
  “电磁波可以告诉我们中子星并合之后会发生什么,而引力波可以探寻本质,告诉我们中子星并合本身的核心问题。”王毅熊告诉第一财经记者。
  哈勃望远镜观测到的中子星并合的光逐渐减弱。
  LIGO科学合作组织成员、德国马克斯-普朗克研究所(Max Plank Institutes)博士后张渊皞对第一财经记者表示:“LIGO现在还在升级,未来精度会更高,还会找到更多类似的引力波,并找到暂时还没有发现的信号,比如寻找连续引力波、超新星爆炸,乃至于随机背景和其他不确定形式的引力波。”
张渊皞还告诉第一财经记者,随着越来越多的信号被发现,它们可以用来对哈勃常数、星体演化做出更好的限制,而且将更好地检验爱因斯坦的相对论,甚至发现新的理论。
  “LIGO其实就是人类的一座更加先进的天文台,让人类以更近的方式观察宇宙。”张渊皞对第一财经记者说。
  Virgo合作组织成员、法国直线加速器实验室(LAL Orsay)的安迪亚(Sarah Antier)认为,多信使天文学之所以能够成为非常有前途的天文领域,是因为只有利用更多的信息,才能研究宇宙,比如天体的质量和自旋等。
  他对第一财经记者表示:“中法两国在观测引力波方面的合作越来越紧密,全球科学家正在一起参与到引力波观测盛宴中。

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