20171018引力波--天文科学新纪元
发布时间:2017-10-18

新华社记者王珏玢、蒋芳、白国龙
 
又见引力波,这一次,中国没有错过!
 
北京时间16日22时,科学家们在多国宣布成功探测到第一例双中子星引力波事件,人类首次窥见引力波源头的奥秘。我国包括南极巡天望远镜AST3-2、国内第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜在内的多台设备参与观测引力波事件,我国科研人员还借助引力波光谱解开了宇宙中金、银等超铁元素的产生之谜。
 
寻到宇宙“黄金之源”
 
“中子星合并是宇宙的‘巨型黄金制造厂’,借助引力波探究中子星,可以让人类窥见金、银等超铁元素,是如何在宇宙‘盛大焰火’中产生的。”中科院紫金山天文台副研究员金志平参加的国际团队,通过引力波光学信号的观测和光谱分析确定,中子星合并确实是宇宙中金银等超铁元素的主要起源地。
 
2017年8月17日,第4例引力波事件发生后的第3天,美国激光干涉引力波观测台LIGO又发现一个新的引力波信号GW170817。与前4例黑洞合并所产生的引力波不同,GW170817是一个由双中子星合并产生的引力波。全球约70个地面及空间望远镜从红外、X光、紫外和射电等多个波段开展后续观测。
 
这其中,也包括中国架设在昆仑站的南极巡天望远镜AST3-2。身在南京的中科院南极天文中心的年轻成员胡镭,是第一个注意到南极巡天望远镜AST3-2“有情况”的人。
 
胡镭告诉记者,8月18日中午,南极团队获知引力波信号准确方位后,立刻调整巡天望远镜角度,把望远镜观测角度拉到极限,历时10天,每天2小时,终于在预期坐标内看到了那个宝贵的亮点。中国在南极抓住了这个机会!
 
“没看到”也重要
 
那些“看到”令人狂喜,有的“没看到”也至关重要。引力波事件发生时,全球仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,中国的空间X射线天文卫星慧眼望远镜便是其中之一。
 
慧眼望远镜是2017年6月15日从酒泉卫星发射中心发射升空的。中科院高能物理研究所的专家说,参与本次引力波事件观测时,慧眼望远镜刚刚试运行2个月。
 
慧眼望远镜带有高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器等科学仪器,能将以自身为圆心的全宇宙360度的范围纳入视野之内;能对银河系进行大天区巡天和扫描,发现新的高能天体;也能借助伽马射线暴工作模式,发现其他剧烈爆发现象,可帮助研究宇宙深处大质量恒星的死亡及中子星并合等过程中的黑洞形成。
 
“大家普遍预计,在兆电子伏特能段,引力波电磁对应体将非常明亮,而事实上,慧眼望远镜没有探测到这样的辐射,给出了兆电子伏特能段的流强上限,说明它的辐射性质比较复杂,跟理论预言相距甚远。这同样是具有历史意义的发现。”中科院高能所慧眼望远镜伽马暴和引力波电磁对应体研究组负责人熊少林说。
 
为那一秒的相遇,人类探寻百年
 
天体剧烈活动引起的时空扰动,好比在浩渺的宇宙中央投下一颗石子,历经10多亿年漫漫星系之旅,时空的涟漪最终与地球邂逅1秒。从1916年爱因斯坦的预言,到2016年2月首次确定探测到引力波信号,人类为了这最后1秒的相遇,苦苦探寻百年。
 
自首次发现,人类“触波”的频率明显加快。2015年12月、2017年1月和8月,人类又先后探测到3次由双黑洞合并触发的引力波。特别是最新的一次,编号为GW170814的双黑洞引力波被两台位于美国的LIGO设备和一台欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器同时找到。3台设备联手发现,大大精确了引力波在太空中的方位,引力波探索又向前迈进了一大步。
 
第五次引力波信号也是第一次中子星合并引力波,更是引起了全球天文界的一波狂欢。在8月17日的事件中,全球约70个地面及空间望远镜从伽马射线、X光、紫外、光学、红外和射电等波段开展后续观测,确认引力波信号来自地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系,两颗中子星的质量均不超过太阳的两倍。
 
引力波天文学时代正在到来
 
2017年的诺贝尔物理学奖,颁给了3名为引力波探测作出重要贡献的美国科学家。引力波天文学的时代正在到来。
 
吴雪峰、金志平等研究人员预测,下一个探测亮点应该是中子星、黑洞合并产生的引力波事件。乐观估计,这一激动人心的发现可能在未来一两年内就与人类见面。此外,白矮星等天体合并产生的低频引力波、以及宇宙开端大爆炸产生的原初引力波,还有待进一步探寻。
 
 
在这个领域,中国近年来相继提出“阿里计划”“天琴计划”和“太极计划”,在陆地和空间探测中低频和低频引力波。
 
在“慧眼”的技术基础之上,中国科学院高能物理研究所提出了专门探测引力波闪的引力波高能电磁对应体全天监测器项目(GECAM),并将其命名为“闪电”。
 
据熊少林介绍,“闪电”不仅能够同时监测全天随机爆发的引力波闪,而且具有更低的探测阈值、更高的监测灵敏度以及更好的定位能力,对引力波闪的综合探测性能远超现有望远镜。如能顺利立项,这有望使我国在引力波电磁对应体的探测研究上达到国际领先水平。
 
中科院紫金山天文台研究员韦大明说:“引力波能帮人类洞悉整个宇宙的起源。如果找到合适的引力波,人们将有机会为大爆炸等一系列基本物理假设找到证据。到那时,人类会以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。”


问答:引力波的发现为什么说是天文科学的新纪元,发现引力波有什么用?

答:作用很大。就如观测地球气候变化一样,观测外星系引力波的强弱变化,可以推导出外能量对太阳系及地球气候的相互影响力。
宇宙恒星系是围绕周围更大能量场中心相互环绕运行的,这样就会与周围恒星系之间有一个相对位置和角度变化。当我们的太阳系绕银河系公转时会出现一个接近或远离周围外恒星系的轨迹变化。当太阳系不断接近某个高能量场恒星系时,外恒星系发射的能量会不断增加的射入到太阳系内,造成太阳系内的星球发生与太阳之间的轨迹变化。就如地球绕太阳旋转时一样,因远近轨迹的变化而出现气候的四季变化。同理。太阳系绕银河系公转,太阳系里的星球也会出现一个更大的四季变化现象,这是因为外星系对太阳系作用的能量变化造成的,当外能量不断增强时,迫使地球和太阳系的其它星球逼近太阳,使系内星球温度升高,同时靠近高能量场的外恒星系时会使奥尔特星云的天体脱轨撞击柯伊伯带的天体,造成大量的小慧星脱轨运行,撞击系内其它星球造成行星和卫星的局部爆炸,再次增加系内能量的发射造成系内灾难。
当外恒星系对太阳系的能量作用不断减弱时,地球和其它系内星球会被太阳的能量推离更远,造成地球冰川期的出现。
翻阅一下地球历史气候变化就可知,地球地壳的几大世纪的更叠就是因外星系对太阳系能量增强发射造成系内慧星脱轨撞击造成的。
大世纪同样有春夏秋冬。地球大世纪的春天里,新的物种大量产生出现,夏天里则不断进化生长,进入秋天各物种进化基本成熟,冬天因大灾难而大部分因气候不适而隐藏或灭绝,之后再进入春天,如此循环运行。
所以探测外星系的引力波就是不断探测周围星系能量场的变化,相对作用于地球的能量变化,推导出对地球气候影响的程度,使人类早做防御准备,减少灾难影响,使人类想办法逃过未来外星系对地球造成的周期大劫难。

为什么中子星引力波引起天文界震动?原因有三个。
 
  首先,第一次探测到双中子星合并。LIGO项目组成员、美利坚大学天体物理学家格雷戈里·哈里告诉记者,此前观测到的引力波均来自黑洞。黑洞完全由扭曲时空构成,而中子星却是一个切实星体,观测两个中子星合并与观测两个原子核合并“并没有什么不同”,因此能深入了解核物质的行为。
 
  哈里说,中子星引力波可以用来直接测量到引力波源头的距离,而相应的电磁信号给出了速度,由此可用来校准宇宙膨胀速度,从而进一步回答宇宙从哪里来、又往哪里去等重大问题。
 
  其次,第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波。通过X光、紫外、可见光、红外及射电波的观测,使得确认宿主星系成为可能。这一事件展示了引力波与电磁波等不同研究团队之间开展合作的重要性,也标志着多信使天文学跨入新时代。
 
  “我想说的是,这是第一次我们既能‘看到’也能‘听到’一个天文事件,这些不同的‘感官’体验将能给我们很多信息,”哈里说,“引力波天文学才刚刚开始,随着21世纪科技向前发展,我们可以期待引力波观测将为宇宙学、天文学、天体物理学、核物理学和引力学以及其他领域带来更多见解。”
 
  第三,地面红外望远镜探测到了中子俘获过程,从而首次提供确凿证据证实中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源,而之前天文学家只是推测。
 
  南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲在发给记者的电子邮件中开玩笑说:“如果有人问戴金戒指的女性朋友,她的金戒指从哪儿来?她应该说,这是从银河系中的合并中子星那里产生的。”