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人类首次探测到引力波电磁对应体 南京大学参与

文章作者:产品测评 上传时间:2019-12-01

北京时间2017年10月16日晚22:00,包括中国在内的多国科学家联合宣布发现双中子星引力波事件以及电磁对应体,南京大学天文与空间科学学院团队也参与了观测以及理论解释。

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引力波是当物质的分布随时间发生变化时产生的“时空涟漪”。1916年,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。根据广义相对论,物质“告诉”时空怎样弯曲,而时空“告诉”物质如何运动。当物质的分布随时间而变化时,就有可能产生引力波这种“时空涟漪”。2016年2月11日,美国地基先进激光干涉引力波天文台宣布探测到来自双黑洞并合的引力波辐射,一举证实了广义相对论给出的黑洞和引力波两大预言。2017年10月,诺贝尔物理学奖授予LIGO的三位奠基者——Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne。2017年8月17日,LIGO和意大利VIRGO共同探测到的引力波事件GW 170817,是人类首次直接探测到的双中子星并合产生的引力波事件。在引力波并合信号发生后的1.7秒,美国宇航局的Fermi伽玛射线卫星和欧洲的INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽玛暴,被命名为GRB 170817A,这是人类首次将电磁波信号与引力波信号毫无疑义地联系在了一起,以此为标志正式开启了包括引力波、中微子、电磁波、宇宙线等多种手段联合探索宇宙的崭新时代。

双中子星并合过程示意图。图片来源:NASA官网

南京大学利用985经费参与建设的南极巡天望远镜AST3在南极冰穹A开展了GW 170817的观测,这是一个由紫金山天文台南极天文中心领导、国内多家单位参与的联合项目。AST3望远镜位于南极大陆的最高点冰穹A,其地理纬度为-80度22分,是全球首个在南极运行的全遥控望远镜。从北京时间8月18日21:00起,观测一直持续到了8月28日。我校天文与空间科学学院周济林课题组张辉副教授、梁恩思博士参加了观测。戴子高教授、博士生刘良端和肖笛博士与紫金山天文台吴雪峰研究员利用千新星的半解析模型拟合了AST3 的观测数据,发现这次双中子星并合产生约1%太阳质量并以大约光速的30%快速运动的抛射物,相当于抛出超过 3000 个地球质量的富含中子的物质,这些物质通过快中子俘获过程,核合成重元素,部分形成比铁还重的超重元素。AST3的观测数据与国际其它望远镜探测得到的数据一起,对人类认识双中子星并合的物理过程提供了非常重要的信息。

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南京大学985经费参与建设的AST3望远镜在南极现场

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。

利用AST3望远镜,我校研究团队还开展了太阳系外行星探测。通过昆仑站的CSTAR(口径为14.5公分的中国之星望远镜阵列)和AST3-2望远镜在2008、2016及2017年的观测,张辉副教授及2012级博士王松虎先后发现了100余颗高置信度的系外行星候选体,其中6颗已经基本被证认。这也是国际上首次在南极天区批量发现系外行星候选体,极大地提升了中国在太阳系外行星观测方面的国际影响力。

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慧眼望远镜示意图。

AST3-2对TESS南天目标区域的扫描观测。在这个TESS重点覆盖天区内,AST3-2的测光精度达到了0.001星等,并找到了100余个太阳系外行星候选体。

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。

目前南京大学天文与空间科学学院在国家“双一流”建设的支持下,正在西藏阿里地区建设“南京大学时域观测天文台”。在2017年底TiDO即将投入巡天观测,届时也将开展引力波光学对应体、系外行星搜寻、超新星爆发和黑洞潮汐撕裂事件等前沿天文观测。

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。

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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”。

这是南京大学团队发现的一个系外行星候选体的凌星信号以及其与恒星的大小、距离示意图。

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。

(天文与空间科学学院 科学技术处)

中国南极巡天望远镜

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