全球天文台追踪GW170817引力波事件全过程
作者:中国科学院国家天文台 刘博洋,出品方:科普中国;本社转发时略有改动。

第一部分 大新闻懒人包

1、到底发现了啥?
简单说,一次引力波事件。
而且是跟以前所有几次引力波事件都不同的一次。
以前几次,都是双黑洞并合。并合完,还是黑的,啥也看不着。
这次是双中子星并合,并合完,火光冲天,宇宙里的文明都看到了。
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2、为啥天文学家这么兴奋?
同上,因为俩中子星并合完不是黑的,能看到。
所以所有听说了这事儿的人,只要有自己的望远镜,都拼了老命想要去看一下。
而且,基本上大家都看到了。
据不完全统计,全球一共有70架以上的各种天文望远镜参加了观测,这些观测覆盖了整个电磁波段:光学、红外、紫外、高能、射电。
本文开篇的视频,展示了全球各地光学望远镜跟进观测的情况。(可以翻回去再看一遍)
南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有顶级天文台都像疯了一样。
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从东向西,随着黑夜降临在一个个大陆,各个天文台一波波的开工,接力完成了对这个事件的跟进观测。
注意南极也有一个小光点!是什么看下文 5。

3、这事对天文学有啥意义?
最大的意义是:引力波和传统天文学终于成功的并肩作战。
从今以后,“引力波”领域,终于毫无疑问的成为天文科学的一员。
在此之前,射电天文学的加入,让光学和射电成为天文学的两架马车;空间望远镜的加入,让电磁波的全波段天文时代降临;宇宙线和中微子的加入,又让我们看到了“多信使天文学”时代的曙光。
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(本次事件的X射线图像)
然后,我们看到了引力波。
如今,我们用引力波和电磁波一起看到了一场宏大宇宙烟火的前后全貌。
一个新的时代——多信使天文学全面开张的时代——来了!

4、这事对普通人有啥意义?
愚蠢的人类终于知道了黄金怎么来的。
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(如果你还不知道,往下看)

5、中国这回掺和没?
掺和了。掺和了不少。
紫金山天文台的南极巡天望远镜,参与了光学波段的后续观测。
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(摄影:李正阳)
中科院高能物理研究所的“慧眼”X射线望远镜(HXMT),参与了X射线波段的后续观测。
清华大学等单位的研究人员,通过和LIGO组织合作,参与了引力波信号分析。
但对这次来说,主要是前两条。

第二部分 稍微细一点

1、这次的引力波长啥样?
引力波长啥样,听听就知道了。以下视频的背景音是在双中子星即将发生并合前,由于相互绕转频率不断提高而发出的所谓“鸟鸣”(Chirp)。
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/watch?v=vTeAFAGpfso
(国内用户需科学上网)
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如果你还记得去年刚发现引力波时候的那个chirp,你会发现体验完全不一样——那次的只有不到1秒,而这次在音频中出现的就有将近1分钟——实际上,这次LIGO一共探测到了大约100秒!

2、为啥这次探测到这么长的“鸟鸣”?
一方面因为中子星并合本来就需要比较久的旋进阶段,另一方面就是,因为近啊!
人们很早就怀疑短伽马暴起源于双中子星并合,此前的短伽马暴通过查找宿主星系的办法,也有一些能得到距离的,但通常都极远,往往在几十亿光年开外,而这次,只有1.3亿光年!是最近的一次短伽马暴!
因为特别近,信号就比较强,前面比较弱的部分就能看到比较多,也就探测到了超长的旋进阶段。

3、这次怎么找到引力波源位置的?
去年只有LIGO两个站的时候,我们只能大体把引力波源定位在天空中一个大圈上,而今年随着欧洲Virgo引力波探测器的加入,引力波源定位的精确度大大提高!
如下图所示,本次引力波事件,GW170817,被定位在了大约31平方度的非常小的天区内!(下图黄色区域)
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在LIGO&Virgo探测到引力波之后的短短不到两秒,费米卫星也独立探测到了双中子星并合产生的伽马暴。
引力波探测器给出的定位结果(绿色),和费米卫星给出的定位(蓝色),非常吻合:
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但是其实,31个平方度说小也不小。
下图是后来发现了引力波源的星系 NGC 4993 周围 3 平方度的天区,蓝色椭圆标记出了这里面所有已知的星系。可以发现 NGC 4993 刚好位于一个星系团旁边,里面星系多得很。而 31 个平方度里,星系自然就更多。
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一个一个看过去,什么时候才能找到呢?
虽然有好几十台望远镜参加观测,能在一天之内就找到,也太快了吧!

——实际上,事情没有那么复杂。

LIGO & Virgo 在收到引力波信号后,会根据信号强度估计一个距离。这一次他们给出的是40±0.8 Mpc(Mpc=百万秒差距=326万光年)。我用这个距离范围在 NGC 4993 周围 ~300 个平方度里搜,记录在册的星系一共也就21个。考虑到事情发生的时候出于慎重可能会把距离范围放宽点,但在31度天区中真正需要查证的,也还是只有几十个星系而已。

比找MH370容易多了。

4、这次看到的引力波源“光学对应体”,长啥样?
下图是欧洲南方天文台几架不同的望远镜捕捉到的画面。虽然画质高下有别,在星系中心左上边一点,都看到了同一个小亮点——也就是双中子星并合之后持续发光的,被称作“千新星”的现象。(左上角是2014年拍的对比图,这张上没有这次的小亮点。)
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特别有意思的是,在持续十几天的不间断跟踪观测中,我们发现这个千新星的颜色会变!变的越来越红!
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这主要是因为爆炸之后,抛射物的温度无法维持,在刚爆发的短期内尚且有一些重元素衰变发光发热,但很快颜色就被降温导致的黑体辐射峰值向红端移动而主导了。

5、双中子星并合具体什么样?
前面已经放过并合的一个艺术家想象动画,下面再放个科学一点的模拟。
它展示了双中子星并合最后几十毫秒发生了什么。
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两颗中子星在互相绕转的最后阶段,都在对方引力作用下发生了明显的变形。相接触的瞬间,整颗星体瓦解,大部分物质融合在一起成为了新的中心天体,要么是大质量中子星,要么是黑洞。还有不少物质在解体中抛向空间。这些富中子物质会形成大量富中子的不稳定同位素,并通过衰变释放出大量辐射,这一过程的光度可达一般新星事件的千倍,所以这个现象被命名为“千新星”。
千新星事件虽然不是第一次被看到,但结合了引力波和电磁波全波段观测数据的这次事件,让我们可以更透彻的研究“千新星”事件到底是怎么回事。

6、所以黄金到底怎么来的?
上一段说了,中子洒出来之后,会产生很多所谓富中子的不稳定同位素,也就是说很多原子核中包含大量中子的元素,这些中子会迅速衰变成质子,产生大量原子序数(即原子核中的质子数)较高的重元素,其中就包括金。

先前人们曾经认为重元素主要由超新星爆发产生,但后来发现超新星爆发不是一个足够有效的机制,于是双中子星并合被寄予厚望。

7、中子星?夸克星?
我们一直说“双中子星并合”,但实际上对于中子星是不是“中子”星,在天文学界是有争议的——一部分理论学家认为,这些致密天体可能是由更基本的粒子夸克组成的,应该被叫做“夸克星”。
检验这种致密星到底是由“中子”还是“夸克”构成,最直接的办法应该是去测量星体的质量和半径。因为夸克星原则上会更致密。但是这些致密星太小,用我们现有的观测手段很难给出精确的测定。
另一种思路,就是利用双星并合时的现象——前面说了,“千新星”这种现象只有在富中子的环境才能发生。而大量的中子来自于中子星,所以如果我们在双致密星并合后能看到“千新星”现象,说明这些致密星的本质应该是中子星,而如果看不到,则更有理由倾向于夸克星的假说。
就这次的观测证据来说,“中子”星一派占据了上风。

8、这次事件还告诉我们什么
还告诉宇宙膨胀有多快。也就是测定了哈勃常数。
一方面,引力波观测可以通过接收到引力波的强度,算出源天体的光度距离;另外通过源天体所在的星系红移的测量,我们知道它的退行速度。结合起来,就算出了宇宙膨胀有多快。
当然这一次事件给出的测量精度还没有比我们此前已经获得的结果更好,不过随着未来类似观测的积累,引力波与电磁波的联合观测还是可以给出越来越精确的,对宇宙膨胀速度的独立估计。

9、仍然未解的迷
我们不知道并合后形成的是中子星还是黑洞。
我们认为中子星的质量有个上限,叫做奥本海默极限。超过了这个极限,中子星就会坍缩成黑洞——但在理论上,这个极限究竟是多少,还有争议。争议的原因就是上面7中所说的,理论学家对中子星的具体构成有不同的见解。而我们通过引力波的观测知道了系统总质量为2.74个太阳质量,刚好在“争议区”,于是无法判断这是不是足以形成黑洞。

10、小望远镜的威力
在这次全球观测天文学家的大联欢中,小望远镜发挥了功不可没的重要作用。
率先在星系 NGC 4993 中找到引力波光学对应体的,是欧南台的 Swope 望远镜,口径1.02米。

要知道在专业天文学界,1米口径是相当小的光学望远镜了。

而更让人惊讶的是,这次还有很多台40~60厘米的超轻量级望远镜加入战斗——这对天文爱好者来说可能还算是镇宅之宝,对专业天文学来说,有点玩具的意思了。
甚至,盛会中还有一个口径25厘米的 TAROT 望远镜。(下图右下)
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不过这些“玩具”其实近年来越来越多出现在专业天文学的一个领域:时域天文学。小望远镜有很多优势:成本低,方便大规模采购投放;通常视场范围比较大,结合数量优势,可以快速的开展大面积巡天——这正是搜寻引力波光学对应体所必备的能力。

系外行星搜寻、超新星搜寻、微引力透镜搜寻……还有很多有趣的科学领域,是小望远镜能够一展身手的地方。

11、欧南台的“舰队”
在看文首视频的时候,有没有被智利北部密集的光点吓到?
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(图为欧南台所属智利 La Silla 天文台)
欧南台在新闻中用“舰队”来形容自己的望远镜们——这支舰队,不只有8米、10米级的“航空母舰”,更有一大堆4-6米级的“巡洋舰”、2-3米级的“护卫舰”、1米级以下的“保障船只”,乃至其他波段的“协同军种”,共同构成了令人望而生畏的欧南台舰队。

下图展示了欧南台参与本次联合观测的部分“大船”。紫外、可见光、红外、射电,都有。
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说实话,看欧南台在智利下饺子,再看看国内这几台望远镜,还真有点20年前看中国军队的那种望穿秋水的感觉。尤其是看到欧南台里还放着很多日本、韩国等国家的望远镜,真希望中国也能在这样世界上观测条件最好的地方有自己的望远镜。

幸好这次还有南极巡天望远镜和慧眼卫星给中国撑场子,不然真的是毫无脸面了。

希望中国天文的盛世,早点来吧!

[修改于 4 年前 - 2017-10-18 01:02:12]

来自:宇宙和天文 / 天文与空间科学
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