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    在引力波和光中观测到的第一个宇宙事件

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      普朗克

      【博科园-科学科普】大约1.3亿年前在一个遥远的星系中两颗中子星合并相撞。灾难性的撞击产生了引力波,在空间和时间的结构上产生了涟漪。这一事件是现在激光干涉引力波天文台(LIGO)和处女座(Virgo)合作的第5次引力波观测,也是第一次探测到的不是两个黑洞的合并碰撞产生的引力波。

      在引力波和光中观测到的第一个宇宙事件

      模拟图描绘了两颗合并的中子星,窄波束表示伽马射线暴,而涟漪的时空网格则代表了合并的特征的各向同性引力波。从合并恒星喷射出的漩涡状物质是在较低能量下看到的光的可能来源。图片版权:National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

      但是这个被称为kilonova的事件除引力波外也产生了别的东西——光,横跨多个波长(由于黑洞的特殊性黑洞合并仅产生引力波无其他光学信号)。

      这也是历史上第一次通过引力波首次观测到天文现象,然后用望远镜观测到。在一个令人难以置信的协同努力中,超过3500名天文学家在世界各地70多个望远镜上使用100个仪器,并与LIGO和处女座(Virgo)的物理学家合作。所有这些观测结果比部分总和还要大,我们现在正在学习宇宙的物理学,以一种前所未有的方式,探索关于世界所组成的元素。

      在引力波和光中观测到的第一个宇宙事件

      kilonova的观察,图片:P.K. Blanchard/ E. Berger/ Pan-STARRS/DECam.

      来自罗切斯特理工学院的Manuela Campanelli说:这将让我们了解超新星爆炸是如何工作的,黄金和其他重元素是如何产生的,我们体内的原子核是如何运作的,甚至是宇宙膨胀的速度。《Multimessenger天文学》展示了我们如何将旧方法与新方法结合在一起,它也改变了天文学的发展方式。

      中子星是巨大的恒星的剩余核心,在很久以前就像超新星一样爆炸。这两颗恒星位于一个名为ngc4993的星系附近,它的质量是我们太阳质量的8 – 20倍。然后随着超新星每一个都压缩到大约10英里的直径,一个城市的大小。这些恒星完全由中子组成,在正常恒星和黑洞的大小和密度之间——一茶匙的中子星物质会重达10亿吨。

      中子星在宇宙的舞蹈中互相旋转,直到他们的共同引力力使它们碰撞。那次碰撞产生了一引力波,而那次撞击造成了1.3亿年后引力波对地球冲击,故而今天能被我们所探测到。

      虽然这一事件发生在1.3亿年前,但只是在2017年8月17日,在日食之前才知道这一点。在早上8:41分LIGO和处女座发现了时空涟漪的早期震颤,引力波。仅仅两秒钟后NASA的费米太空望远镜就发现了一束明亮的伽马射线。这使得研究人员能够快速确定涟漪的方向。

      在一位天文学家发出的电报中,全世界成千上万的天文学家都在努力观测,并开始收集中子星合并的额外数据。

      动画展示了LIGO、处女座和太空望远镜以及地面望远镜在LIGO和处女座于2017年8月17日探测到的引力波位置。通过将费米和积分空间任务的数据与LIGO和处女座的数据结合起来,科学家能够将海浪的源头限制在30度的天空。可见光望远镜在该区域搜索了大量的星系,最终揭示了ngc4993是引力波的来源。

      处女座合作的发言人Jo van den Brand在一份声明中说:这一事件是迄今为止探测到的所有引力波的最精确的天空定位,这一创纪录的精确度使天文学家能够进行后续观测,从而导致了大量惊人的结果。

      这提供了第一个真实的证据,即光和引力波以同样的速度传播——正如爱因斯坦所预言的那样。

      在引力波和光中观测到的第一个宇宙事件

      在短短几天内kilonova就从红色褪色了20倍,这一快速变化是由拉斯康比斯天文台望远镜捕捉到的。图片:Sarah Wilkinson / LCO.

      从很小到最著名的天文台都参与了,并迅速进行了观察。起初这一事件在不到6天的时间里就消失了。豪厄尔说在最初的几个小时里,观察到的光比太阳的亮度要亮200万倍,但在几天内就消失了。

      在智利安第斯山脉的Cerro Tololo美洲天文台的Blanco 4米望远镜上安装了暗能量照相机(DECam),它是帮助定位事件源的工具之一。

      来自布兰代斯大学的Marcelle soares – santos在简报会上说:我们每次面对LIGO的合作问题时,都面临着一个新的挑战,那就是我们如何寻找一种正在迅速消失的源头,这可能是一开始就有的,而且是在那里的某个地方。她是描述与引力波相关的光学信号的第一作者。这是一个经典的挑战,在干草堆里发现一根针,而另一个复杂的问题是针是远远的,而haystack正在移动。

      随着DECam的出现很快就能够确定源星系,并排除了其他1500名在这堆草堆中出现的候选者。看起来像针的东西很常见,所以我们需要确保我们有合适的针头,今天我们确信已经这样做到了。

      在一个很小的部门一个小型机器人16英寸的望远镜(pan彩色机器人光学监视和偏振测量望远镜)——来自亚利桑那大学的天文学家David Sand在“基本上是一个增强的业余天文望远镜”的描述中,也帮助确定了来源。这证明了即使是小望远镜也能在《摩蒂默斯》天文学中发挥作用。

      众所周知的是由哈勃和其他几个NASA和ESA太空天文台,如Swift,Chandra和Spitzer任务。哈勃在可见光和红外光中捕捉到星系的图像,在ngc4993中见证了一个新的明亮物体,它比超新星更明亮,但比超新星更微弱。这些图像显示在哈勃观测的6天时间里,该物体明显褪色。利用哈勃的光谱能力,研究小组还发现,基罗诺瓦的材料被喷射的速度高达光速的五分之一。

      在引力波和光中观测到的第一个宇宙事件

      2017年8月17日激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪探测到两颗中子星相撞的引力波。在12小时内天文台已经确定了在透镜星系ngc4993内的事件的来源,这张照片显示的是NASA / ESA的哈勃太空望远镜。与之相关的恒星耀斑,kilonova在哈勃观测中清晰可见。这是第一次观测到引力波事件的光学对应物。正如8月22日至28日的观测所显示的那样,哈勃观察到在6天的时间里kilonova逐渐消失。图片版权: NASA and ESA. Acknowledgment: A.J. Levan (U. Warwick), N.R. Tanvir (U. Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI).

      豪厄尔说:这是天体物理学的一个转折点,在爱因斯坦提出引力波的100年后,我们看到了并追踪回到它们的源头,发现了一种我们以前只梦想过的新物理的爆炸。

      下面是这个单一事件产生的一些见解:

      伽玛射线:理查德·奥肖尼西解释道(他也是来自罗彻斯特理工学院和LIGO团队的成员)这些闪光现在肯定与合并中子星有关,并将帮助科学家研究超新星爆炸的工作原理。最初的伽马射线测量,再加上引力波探测,进一步证实了爱因斯坦的广义相对论,它预测引力波应该以光速传播。

      金和铂的来源:哈佛史密森天体物理中心的埃多·伯杰在新闻发布会上说这些观察揭示了元素周期表中最重元素的直接指纹。两颗中子星的碰撞产生了10倍的地球质量(仅在黄金和铂金)。想想这些材料是飞出这个事件,最终与其他元素结合形成恒星,行星,生命…和珠宝。

      Berger还补充了一些其他的想法:这些恒星最初的超新星爆炸产生了铁和镍的所有重元素。在这一系统的基罗诺瓦,可以看到重元素的周期表是如何形成的完整的历史。

      原子物理学天文学:最终像这个发现这样的观察将告诉我们,我们身体的核是如何运作的,引力对中子星的影响将告诉我们,中子的运动有多大,通过推断中子和质子——身体内部的物质构成了我们大部分的质量和

      宇宙学:科学家现在可以独立地测量宇宙膨胀的速度,将距离与银河系的距离进行比较,其中包含了从我们的引力波观测中推断出的明亮的光和距离。

      来自CfA的天文学家托尼·皮罗(Tony Piro)说:研究与引力波和光的相同事件的能力是天文学上的一场真正的革命。”现在可以用完全不同的探针来研究宇宙,我们只能用一个或另一个来教授我们永远不可能知道的东西。

      LIGO的科学发言人David Reitz说:对我来说,这一事件之所以如此神奇是因为我们不仅探测到了引力波,而且还看到了世界上70个观测站所看到的电磁波谱。这是宇宙第一次向我们提供相当于声音的电影。而这个视频是观测天文学不同波长的,声音是引力波。

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