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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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探测引力波,中国在行动

2018-06-02 16:33:00

  天体剧烈活动引起的时空扰动,好比在浩渺的宇宙中投下一颗石子,历经10多亿年漫漫星系之旅,时空的涟漪最终与地球邂逅。从1916年爱因斯坦的预言,到2015年9月首次确定探测到引力波信号,人类为了直接探测时空的涟漪,苦苦探寻百年。这其中,我国学者对引力波及其相关领域的贡献是多方面的。

  对引力波理论与观测的贡献

  1938年,在研究“引力较弱时引力波会在速度的第几阶出现”这个问题时,爱因斯坦与合作者根据计算推断,直到第四阶(即(v/c)4)都不会存在引力波辐射。必须到下一阶(即(v/c)5)才会有引力波,但当时,谁也无法证明这一点。

  1947年,我国物理学家胡宁教授首次证明了这一点。这是中国人在引力波理论方面的第一个重要贡献。

  在引力波的观测方面,由加州理工学院和麻省理工学院共同领导的LIGO小组由世界多个国家的学者共同组成,其中就有中国本土科学家的参与,如清华大学的曹军威教授、湖北第二师范大学的范锡龙副教授以及多个来自中国的博士后与博士研究生。

  对伽玛射线暴的观测与理论研究

  我国刚发射升空不久的硬X射线调制望远镜(别名“慧眼”,英文名“Insight”)在这次全球联合测量中作出了重要贡献。“慧眼”卫星的主要观测波段是硬X射线,其项目提出者和首席科学家分别为李惕碚院士和张双南研究员。“慧眼”卫星是我国第一颗空间天文卫星,主要由中国科技部、中国科学院高能物理研究所和清华大学参与研制,其主要任务是观测宇宙中的黑洞、中子星与类星体发出的高能量X射线辐射。2017年6月15日,“慧眼”卫星发射升空,并在此后一星期内顺利开启卫星上的低能(1~15千电子伏特)、中能(5~30千电子伏特)与高能(20~250千电子伏特)探测器。如果采用碘化铯探测,“慧眼”卫星甚至可以探测到20万至100万电子伏特的高能量,因此同样可以探测伽玛射线暴。

  在双中子星并合产生的引力波和伽玛暴相继到达地球上空的几分钟里,升空仅2个月、还处于调试状态的“慧眼”卫星刚好对准了引力波和伽玛暴所在的天区,从而可以探测对应的天区是否有足够高能的伽玛射线辐射。“慧眼”卫星没有探测到高能的(百万电子伏特以上)伽玛射线辐射,从而对这次爆发的高能伽玛射线辐射性质给出了重要的限制。

  在这次引力波事件的短伽玛暴数据分析和研究方面,南京大学张彬彬教授合作团队、广西大学梁恩维教授合作团队、紫金山天文台范一中合作团队,都对此进行了深入探讨;在理论研究方面,南京大学戴子高教授和紫金山天文台吴雪峰研究员及其合作团队,基于这次多波段电磁辐射的观测数据,对理论模型进行了限制。

  对“千新星”的理论预测与观测

  这次轰动世界的两颗中子星并合导致的引力波被探测到之后,科学家们对全世界几十台可见光望远镜探测到的可见光辐射信号进行了仔细分析之后,证实这确实是李立新教授和帕钦斯基教授于1998年首先提出、后经国际其他学者发展、完善并预言的“千新星”。首次得到“千新星”存在的直接证据,使这个引力波成为第一个“看得见”的引力波,是这次震撼世界的发现中几个最大的亮点之一。

  而在观测这颗“千新星”的多台光学望远镜中,就有安装在南极冰穹A中国昆仑站的南极巡天望远镜(AST3)。南极巡天望远镜是中国南极天文中心安装在南极冰穹A(海拔高度为4100米,气压为0.57个标准大气压)中国昆仑站的第二代天文光学仪器。参与这个项目的主要单位有中国科学院紫金山天文台、南京天文光学技术研究所、中国科学院国家天文台、南京大学、清华大学、中国极地研究中心、澳大利亚新南威尔士大学、英澳天文台和斯威本科技大学等。

  南极巡天望远镜由3台望远镜组成,每台望远镜的镜头直径是68厘米,分别装备有3种滤光片,可分别观测不同波段(“颜色”)上的可见光。在3台望远镜中,第2台(AST3-2)采用了比第一台更先进的研制方法,因而精度更高、能耗更低、可靠性更高。在2017年南半球的冬季过去之后的检测中表明,AST3-2经受住了零下75摄氏度的低温考验。现在,AST3-2已经实现了远程遥控和无人值守,完成了高质量的巡天观测,发现大量系外行星的候选体。正在研制的第3台望远镜将把观测范围拓宽到红外波段,实现中国在红外天文学上的重大突破。

  该望远镜项目首席科学家、中国科学院紫金山天文台的王力帆教授在获悉此次引力波事件后,马上召集了包括中国科学院南京天文光学技术研究所、国家天文台、南京大学和清华大学等多家单位的科学家组成的合作团队,对该引力波源进行观测并独立获得重要的观测数据。南京大学戴子高教授小组基于此数据得到的理论分析结果,也与“千新星”的理论预言一致。

  其实在这次“千新星”的正式发现之前,一个国际团队就于2013年首次用哈勃太空望远镜发现了“千新星”的候选体。此后,众多天文学家通过分析短伽玛暴的光学余辉,又找到了几例“千新星”候选体,其中被广泛接受的2个候选体是由紫金山天文台的金志平副研究员、范一中研究员和韦大明研究员带领的合作团队发现的。之所以称它们为候选体,是因为在之前的几例“千新星”的光学观测数据较少,并没有非常明确的证据表明它们就是“千新星”。

  虽然我国的“慧眼”X射线天文卫星和南极光学巡天望远镜成功地对此次引力波事件进行了观测,但位于北半球的中国与其他国家的可见光望远镜和射电望远镜的观测设备却错失了发现第一个引力波电磁对应体的机会。

  导致北半球望远镜几乎全军覆没的原因是:这次引力波发生在南半球上空的天区,北半球的几乎所有设备接收到的电磁波辐射在地球大气中经过的路程都是望远镜上方大气层厚度的2倍以上,因此都无法有效地接收信号,也无法进行观测。对其他辐射的理论研究除了预言“千新星”的李立新教授之外,我国还有许多学者在引力波电磁对应体领域作出了不少有分量的理论预言工作。

  例如,戴子高教授和范一中研究员在2006年分别提出,两颗中子星并合后可以形成大质量、强磁场、快速自转的中子星(简称“磁星”),并且将此理论预言应用到短伽玛暴的解释上。

  2012年底,张冰教授提出,双中子星并合后形成的“磁星”自身也可能产生较强的X射线辐射信号。2013年初,紫金山天文台吴雪峰研究员、南京大学戴子高教授的2个小组分别提出,产生“千新星”的辐射区在“磁星”风暴的加速推动下,与星周介质相互作用形成激波,会产生从X射线、可见光到射电的多波段明亮信号,并有可能产生超高能中微子。

  同年,俞云伟教授、张冰教授和高鹤副教授提出,该“磁星”能大大提升“千新星”的亮度,他们将这类现象统称为“并合新星”。

  以上这些理论成果在国际上都引起了广泛关注,且有望在未来的多信使天文学时代被观测和检验。

本文来自《科学24小时》

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