皇家赌场游戏网站南京紫金山天文台联携手全球

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我们知道,中子星是一种非常神奇的星体,它是目前除黑洞以外密度最大的的星体,一般由恒星死亡演化而成。

人类首次观测到“双中子星并合”引力波!南京紫金山天文台联携手全球70家机构联合发布

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研究人员利用X射线图像识别和发现强磁星形成时发生的现象。图中不同的颜色代表钱德拉X射线天文台所探测到的不同水平的X射线能量。

近日,一项新的研究报告称,美国宇航局钱德拉x射线天文台探测到一股强大的x射线爆发,来自一个距地球66亿光年的星系,经过观测发现所观测到一明亮的x射线暴很可能是由两颗距地球66亿光年的中子星碰撞产生的。而且在此次观测中,天文学家是用x射线而不是引力波探测到这次撞击的,这再次引起了科学界的轰动。为什么?我们来看看!

原创 2017-10-17 DeepTech深科技

双中子星并合过程示意图。图片来源:NASA官网

当一颗质量大到足以产生超新星但又不足以形成黑洞的恒星发生坍塌时,就会形成中子星(neutron star)。中子星是一种非常小但密度却非常大的恒星,它们的平均直径约为12英里。当两颗中子星合并成强磁星——另一种磁场极其强烈的中子星——时,伴随产生的磁场要比人类厨房里的冰箱磁铁强10万亿倍。

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北京时间 10 月 16 日 22 点,诺奖之后,LIGO 领域再次迎来了一枚重磅新闻!LIGO/Virgo 引力波天文台和位于中国的南京紫金山天文台、位于德国的欧洲南方天文台以及美国的 NASA 等 70 多个合作天文机构同时召开新闻发布会,宣布了人类历史上第一次观测到了“双中子星并合”所引发的引力波。

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据美国“物理学网”4月11日消息称,《自然》杂志近日刊发的一篇研究论文称,美国阿肯色州大学(University of Arkansas,简称UARK)研究人员先后在美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)和内华达大学(University of Nevada)与来自中国、智利与荷兰的同事进行了合作,他们在一个约65亿光年外的星系中,发现了一次X射线辐射的爆发现象。该现象与两颗中子星合并后形成一颗强磁星的特征相一致。

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基于来自美国航空航天局的钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)的观测数据分析结果,研究人员能够计算出,在每10亿立方光年的区域内,类似这样的合并事件每年大约会发生20次。钱德拉深场南巡天计划(The Chandra Deep Field-South survey)——当今世界上最深、最灵敏的X射线巡天观测项目——在16年多的时间里对天空某单一区域的X射线进行了100多次观测,从而能够收集遍布整个宇宙的有关星系的信息。

首先,引力波是就像我们在平静的水面投下的小石子进而产生的波纹,只不过它的表演场地是在偌大的时空中,一般是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。引力波能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞和其它奇异天体的信息,因此通过引力波我们可以发现在时空的某些不寻常的状况,比如黑洞合并,恒星碰撞等等。

不同于此前 LIGO 装置观测到的 4 次由双黑洞融合所引发的引力波事件,此次的全新观测结合了费米望远镜(伽马射线)、钱德拉太空望远镜(X 射线)、甚大望远镜(光学和红外)、哈勃望远镜(光学和红外)和阿塔卡玛望远镜(毫米/亚毫米波阵列)等多种全球知名望远镜的观测结果,囊括了从可见光、射电波段到伽玛射线等不同的电磁波段。

我国第2台南极巡天望远镜AST3-2,在8月18日观测窗口期内观测到引力波光学信号。

UARK艺术与科学学院物理学助理教授Bret Lehmer介绍道:“中子星之所以神秘,因为它们内部的物质密度极其高,与人类实验室中任何可以复制的东西都大相径庭。我们目前对于中子星中物质的物理状态还不是很了解。然而,中子星的合并现象提供了大量独一无二的观测数据,能够为研究中子星本身的特性以及它们碰撞时发生的现象提供线索。”一方面,之前有研究项目利用引力波和伽马射线观测技术,发现了两颗合并中的中子星,从而让天文学家对这类天体有了进一步的认识。另一方面,该研究小组还利用这些最新信息在钱德拉天文台的X射线数据中,寻找与他们所了解的中子星合并相一致的现象模式。Lehmer解释道:“一个关键的证据是,随着时间的推移,信号变化的模式——这个过程有一个明亮的阶段,稳定一段时间后,然后再以一种非常特殊的方式减弱。这正是预计中当一颗强磁星正以辐射形式迅速丧失磁场时,会发生的状况。”根据引力波和伽马射线所探测到的合并现象,科学家们对中子星的合并速度也进行了类似的运算,为利用X射线数据去发现宇宙中这种奇异的合并事件提供了更好的依据。

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在美国东部时间 8 月 17 日 8 时 41 分(北京时间 20 时 41 分),LIGO 捕捉到这个引力波信号后仅仅 2 秒,美国费米伽马射线望远镜就观测到了同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上首次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件,标志着以引力波天文学和传统天文学紧密合作为代表的多信使天文学(Multi-messenger astronomy)时代已经到来。

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原创编译:朱明逸 审稿:西莫 责编:唐林芳

图丨双中子星并合

慧眼望远镜示意图。

但是在这场史诗般碰撞种,科学家不需要引力波就能做到这一点,这是一次新的突破。研究人员说,这次发射很可能是由两颗中子星合并产生的,这两颗奇特的恒星尸体密度如此之大,以至于它们的组成物质被挤压成中子。如果这个解释是正确的,它将为寻找中微子与恒星碰撞开辟新的道路。

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科技日报北京10月16日电美国时间16日10时(北京时间16日22时),美国国家自然科学基金会召开媒体见面会,邀请美国激光干涉引力波天文台、欧洲处女座引力波探测器以及世界各地70多家天文台的科学家代表,共同宣布人类首次探测到来自双中子星并合的新型引力波,并“看到”这次并合事件发出的电磁信号。

皇家赌场游戏网站 ,据了解,钱德拉研究的光源名为XT2,于2015年3月22日突然爆发,但研究团队在查看了天文台的档案数据后发现了它。XT2的x射线亮度在30分钟内保持相对恒定。但在接下来的6.5小时里,亮度下降了300倍,然后完全消失了。

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探测到中子星并合的引力波信号及光学对应物,早在8月份就已经传言四起。这次发布会确认,美国东部时间8月17日8时41分,LIGO捕捉到这一引力波信号GW170817,由距离地球1.3亿光年的长蛇座NGC4993星系内两个中子星并合产生。随后,美国国家航空航天局的费米伽马射线望远镜在发现引力波信号的NGC4993星系内,探测到一个持续时间大约2秒的短伽马暴(编号为GRB170817A)。随后包括欧洲南方天文台甚大望远镜、哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台以及阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列等全球数十家天文台两天内对准NGC4993星系,共同观测到了这次双中子星并合事件。

研究人员说,这种x射线特征与一颗新生的磁星的特征相符。磁星是一颗快速旋转的中子星,其磁场大约是地球磁场的1万亿倍。因此,看起来XT2中子星碰撞产生的是磁星而不是黑洞,就像2017年的事件一样,被称为GW170817,GW170817是LIGO和VIRGO在2017年8月17日观测到的引力波事件,当时观测到两个中子星合并在一起,在此之前观测到的几次引力波事件都是出自于两个黑洞合并。

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LIGO团组的科学家们最近刚因在引力波研究方面的成就获得了2017年诺贝尔物理学奖。2015年9月14日,LIGO研究团队首次探测到引力波,并在2016年2月份对外发布了相关结果。自那以后,研究人员又陆续确认了三次引力波事件,最近的一次信号首次由LIGO以及Virgo共同探测。这四次引力波信号都是源自宇宙深处两个黑洞并合产生,不会发射电磁波,而天文学家们一直在期待另一种形式的引力波事件——双中子星并合,因为这种并合产生的引力波会伴随电磁波等发光信号,从而可以被传统望远镜直接探测到。所以每次LIGO发现引力波信号,许多天文学家会利用望远镜跟进观测,希望成为发现电磁波小亮点的“第一个吃螃蟹者”。

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根据现有理论,黑洞或中子星与中子星并合后,至少会产生引力波、千新星、千新星射电辐射、短伽马暴和短伽马暴余辉这五类信号,其中千新星是并合后产生的金银等放射性物质形成,其在衰变中会释放大量高能射电辐射,而短伽马暴以及包括X射线、射电等多波段辐射在内的短伽马暴余辉,则是由另一部分物质在黑洞周围形成的“黑洞—吸积盘”系统,与星际物质相互作用形成。

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中国南极巡天望远镜

研究小组成员说,这项新研究将有助于天文学家更多地了解中子星的内部结构。虽然我们不能把中子星放在实验室里看会发生什么,但是宇宙就是一个天然的实验场地,它会为我们做这件事,如果两颗中子星相撞,而一颗重中子星幸存下来,那么这就告诉我们,它们的结构相对来说是刚性和弹性的。

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探测到引力波首例光学信号

研究人员说,XT2可能也产生了引力波。但这一事件发生在升级版的激光干涉仪引力波天文台发射之前。这个项目,连同一个类似项目Virgo,发现了来自GW170817的时空涟漪。研究小组成员说,无论如何,XT2太远了,LIGO(激光干涉引力波天文台)很难探测到。

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科技日报南京10月16日电中国科学院南京紫金山天文台16日22时发布重大消息称:中国南极巡天望远镜追踪探测到引力波事件的首例光学信号,并证实双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素的起源地。

不过科学家表示已经开始研究钱德拉的其他数据,看看是否存在类似的来源,期待发现更多的秘密。

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自北京时间2017年8月18日21时10分起(即距离引力波事件发生24小时后),中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2对GW170817开展了有效的观测,此次观测持续到8月28日,期间获得了大量的重要数据,并探测到此次引力波事件的光学信号。这些数据揭示了此次双中子星并合抛射出约1%太阳质量(超过3000个地球质量)的物质,这些物质以0.3倍的光速被抛到星际空间,抛射过程中部分物质核合成,形成比铁还重的元素。因此,这次引力波的发现,证实了双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素的起源地。而过去,我们仅知道宇宙大爆炸产生了氢、氦等元素,大质量恒星爆发产生铁等元素,而对其他重铁元素究竟是怎么来的则一无所知,这也就意味着我们人类在探测未知世界的路上更近了一步。

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中国科学院紫金山天文台研究员吴雪峰表示,AST3-2在南极地区观测双中子星并合产生的引力波事件有极大的便利,不仅地面干扰较小,且连续观测时间更长。而在南极地区的所有天文望远镜中,仅有我国AST3-2观测到引力波事件的光学信号,其他均未观测到。

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AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜。其有效通光口径50厘米,是南极现有最大的光学望远镜,并且完全实现了极端环境下的无人值守全自动观测。目前,AST3-2主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文研究。

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中国慧眼望远镜

美国加州理工学院 LIGO 数据分析小组负责人艾伦·温斯坦教授说,“几十年来我们一直努力搜寻双中子星并合所引发的引力波,那天我们终于梦想成真。”美国田纳西大学天体物理学教授迈克尔·吉德里说,“多信使天文学结合使用多种探测手段,将开启天文学和天体物理许多领域的探索新途径。”

参与监测引力波电磁对应体

值得一提的是,我国的首颗空间 X 射线天文卫星——慧眼 HXMT 望远镜和中国南极昆仑站南极巡天望远镜 AST3 合作团队运行的第 2 台望远镜 AST3-2 也检测到了此次引力波。

科技日报北京10月16日电我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜,在双中子星并合产生引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区。对其伽马射线电磁对应体在高能区(MeV,百万电子伏特)的辐射性质给出了严格的限制,为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制作出了重要贡献。

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因为该引力波事件具有极为重要的意义,天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测,形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。然而,引力波事件发生时仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,慧眼望远镜便是其中之一。

图丨慧眼 HXMT 望远镜

在这些望远镜中,慧眼在0.2—5MeV能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好,因此对引力波闪(即编号为GRB170817A的伽马射线暴)的MeV能区的伽马射线辐射的探测能力最强。虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离(40Mpc,约1.3亿光年)的双中子星并合产生的引力波闪将极为明亮,但本次引力波事件产生的引力波闪出乎意料地暗弱,特别是在MeV能区的辐射十分微弱,导致没有望远镜在这个能区探测到引力波闪。慧眼望远镜凭借强大的探测性能,对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限。

其实,早在今年的 8 月 23 日,《Nature》杂志就提前透露了此次发布会的重要内容。文章中写道,虽然双中子星并合与此前的双黑洞融合都属于致密天体的旋进并合,但二者之间有着显著的区别:那就是黑洞是能量结构,融合时并没有电磁波释放出来,且持续时间不超过 1 秒钟,这也就造成了观测非常困难,只能利用 LIGO/Virgo 这样的高精度的装置才能探测到;而中子星是物质结构,并合时会释放出十分巨大的电磁波能量,持续时间可以达到 1 分钟,诸多传统的观测手段都可以“一览奇景”。

值得注意的是,慧眼望远镜本来的设计目标是探测黑洞和中子星等银河系内的X射线天体,研究极端引力场条件下的物理规律。项目组通过对慧眼望远镜辅助探测器的创新性使用,获得了额外的探测伽马暴及引力波电磁对应体的能力,使其成为国际上正在运行的最重要的伽马射线暴监测设备之一,大大扩展了望远镜的科学产出。

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(原载于《科技日报》 2017-10-17 01版)

图丨伊利诺伊大学圣芭芭拉分校所做的两颗中子星合并事件的仿真(白色的是磁力线)

而也正是在《Nature》的这篇文章发布前的不长的一段时间之内,全球范围内的明星望远镜都对一个名为 NGC 4993、距离地球 1.3 亿光年的星系进行了密集的观测,从而证实了此次“双中子星并合”现象的存在。

8 月 17 日,美国费米伽马射线望远镜的伽玛射线暴监测器触发了 GRB 170817A 伽玛射线暴事件。而双中子星并合恰巧就是会引起伽玛射线暴正的原因之一;

8 月 18-19 日,欧洲南方天文台甚大望远镜、阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列望远镜也对 NGC 4993 进行了观测;

8 月 19 日,钱德拉 X 射线太空望远镜也有观测活动,并标记为“SGRB170817A”(SGRB 即为短伽玛射线暴);

8 月 22 日、29 日,哈勃望远镜也对 NGC 4993 总共进行了四次观测。

甚至华盛顿大学的 Peter Yoachim 和德克萨斯大学奥斯汀分校的 J. Craig Wheeler 还在 Twitter 上提前“泄露”出了此次重大发现。

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而此次“双中子星并合”事件之后,人类不仅可以据此更好地验证爱因斯坦的广义相对论,也可以为中子星的起源提供更多线索。引力波的细节还可以解开中子星内部结构的奥秘,以及搞清两颗中子星合并之后到底是形成了一颗新的中子星,还是一个新的黑洞。甚至还可以解开地球上黄金的由来。

此外,伽马射线暴自身也是一个重要发现。大多数伽马射线暴都发生在距离以 10 亿秒差距计(≈3.261 光年)的遥远太空,而 NGC 4993 星系距离地球仅仅 1.3 亿光年。根据宾夕法尼亚州立大学天体物理学家德雷克·福克斯(Derek Fox)的说法,这可能是人类迄今为止观测到的距离最近的伽马射线爆发。而此次事件中的伽马射线暴的强度较高,它也验证天文学家几十年前提出的猜想,即伽马射线暴跟中子星碰撞有关。

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图丨NGC 4993 星系

众所周知,引力波是爱因斯坦广义相对论最后一块“拼图”。100 多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,时空的概念也颠覆了大多数人的物理常识。

广义相对论认为,大到天体,小到人类本身,在它们运动时,都会使周围的时空产生涟漪。这是很容易理解的一个概念,就像船在水中移动时会产生水波。只是在发现引力波之前,这一理论还从未被验证过。

LIGO 装置在 2015 年 9 月、12 月和今年 1 月先后 3 次探测到引力波;今年 8 月,LIGO 和 Virgo 装置又共同探测到了引力波。在这四起引力波事件中,科学家们发现,恒星质量级双黑洞系统一旦融合,其质量将至少会是太阳的 20 倍。这比以前通过传统的 X 射线所探测到的黑洞质量要大得多。观测结果也确实验证了科学家们的预测:四次黑洞融合后形成的新黑洞质量分别为太阳的 62 倍、21 倍、49 倍、53 倍。

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图丨LIGO 所发现的黑洞质量(蓝色)远远比以前仅凭X射线(紫色)所探测到的黑洞质量大得多

不过,由于引力波是由黑洞融合所产生的宇宙涟漪,并不会产生任何形态的光,所以对于引力波观测来说,传统天文望远镜可能并没有太大作用。但这一次,多地、各类型望远镜观测到了“双中子星并合”现象,也揭示着借助多种观测手段的“多信使天文学”(multi-messenger astronomy)时代的到来。

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图丨结合多种观测手段的“多信使天文学”

值得一提的是,作为物理学界里程碑式的重大成果,引力波的发现还赢得了今年的诺贝尔物理学奖,3 位美国科学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C. Barish)和基普·S·索恩(Kip S. Thorne)获此殊荣,以表彰他们发起和领导了“激光干涉引力波天文台”(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)项目,并在将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域做出了重大贡献。

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