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对中子星合并的首次观察标志着天文学的新纪元

  • 科学
  • 2020-01-16 11:22:33
  • 来源:

两个月前,先进激光干涉仪引力波天文台(LIGO)通知了世界各地的天文学家,可能会发现由两个中子星合并产生的引力波。从8月17日那一刻起,比赛就开始寻找可见的对等物,因为与LIGO先前探测到的四个引力波所造成的碰撞黑洞不同,该事件有望产生可见光和其他类型辐射的明亮爆炸。

由加州大学圣克鲁斯分校的天文学和天体物理学助理教授赖安·弗利(Ryan Foley)领导的一个小团队,是第一个发现引力波源的人,它位于一个距离我们1.3亿光年的星系中,称为NGC 4993。智利卡内基研究所拉斯坎帕纳斯天文台用1米高的Swope望远镜拍摄的第一张事件照片。

弗利说:“这是一个巨大的发现。” “我们终于将这两种不同的视角联系在一起,在光波和引力波中观察同一件事,仅此而已是具有里程碑意义的事件。这就像能够同时看到和听到某些东西一样。 ”

新窗户

理论天体物理学家恩里科·拉米雷斯·鲁伊斯(Enrico Ramirez-Ruiz)是加州大学圣克鲁斯分校的天文学和天体物理学教授兼主席,也是弗利团队成员之一。除其他外,这些结果可能解决一个关于宇宙中金和其他重元素的起源的热烈讨论的问题,拉米雷斯·鲁伊斯研究了多年。

他说:“我认为这可以证明我们的想法,即这些元素大部分是由中子星合并产生的。” “我们看到像金和铂这样的重元素是实时制作的。”

Foley的团队根据他们的观察和分析,于10月16日在《科学》杂志上发表了四篇论文,并在《天体物理学期刊快报》上发表了三篇论文,他们是《自然》杂志和其他期刊上其他几篇论文的合著者,包括由LIGO合作领导的两篇主要论文。关键的科学论文包括:由UCSC研究生大卫·库尔特(David Coulter)领导,介绍了第一个与引力波源相对应的光学发现,以及由博士后研究员查尔斯·基尔帕特里克(Charles Kilpatrick)领导的,对与引力波源进行光学比较的最新论文。用理论模型进行观测,以确认这是中子星合并。其他两门科学 这些论文是由卡内基科学研究所的Foley合作者领导的。

巧合的是,LIGO探测是在科学研讨会的最后一天举行的,该研讨会的主题是“ 利用引力波探测的天体​​物理学 ”,拉米雷斯·鲁伊斯(Ramirez-Ruiz)在哥本哈根的尼尔斯玻尔研究所组织了该研究,而弗利刚刚在这里进行了演讲。拉米雷斯·鲁伊斯说:“我希望我们拍摄了瑞安的谈话,因为他对我们观察中子星合并的机会感到沮丧。” “但是他接着概述了自己的策略,正是这种策略使他的团队能够在其他任何人之前找到它。”

战略

Foley的策略包括在LIGO小组指示的搜索范围内对星系进行优先排序,将最可能藏有中子星双星对的星系作为目标,并将尽可能多的这些星系带入每个视野。弗利说,其他团队更系统地覆盖了搜索领域,“就像割草一样”。在等待10个小时让太阳落在智利之后,他的团队在他们观察到的第九个野外找到了源头。

弗利说:“太阳一落山,我们便开始寻找。” “通过像我们一样快地找到它,我们能够建立一个非常好的数据集。”

他指出,该光源足够明亮,以至于业余天文学家都可以看到,而且很可能在非洲几小时后才能在智利看到。费米伽马射线太空望远镜几乎在与引力波相同的时间检测到了中子星合并产生的伽马射线,但是费米数据没有提供比LIGO更好的关于源位置的信息。

Foley的团队在检测到LIGO之后11小时拍摄了光源的第一张图像,并在确认发现后在一个小时后向天文学界宣布了该图像。数十个其他团队迅速跟进了其他望远镜的观测。Foley的团队还通过卡内基Las Campanas天文台的麦哲伦望远镜获得了该源的第一张光谱。

丰富的数据集

重力波源命名为GW170817,而光源源命名为Swope Supernova Survey 2017a(SSS17a)。到大约7天后,该光源已经褪色,无法再在可见光下检测到。虽然可见,但天文学家能够收集有关这一非同寻常的天体物理学现象的数据宝库。

拉米雷斯·鲁伊斯说:“这是一个如此丰富的数据集,从这一件事中获得的科学数量令人难以置信。”

中子星是宇宙中最奇特的物质形式之一,几乎完全由中子组成,而且密度很高,以至于中子星物质的糖块重约十亿吨。两个中子星的剧烈合并会喷射出大量这种富含中子的物质,从​​而以一种称为“快速中子捕获”或“ r过程”的过程推动了重元素的合成。

发出的辐射看起来不像普通的超新星或爆炸星。拉米雷斯·鲁伊斯(Ramirez-Ruiz)等天体物理学家已经开发了数值模型来预测这种事件,称为“千新星”,但实际上却是第一次如此详细地观察到这一现象。Kilpatrick说,数据与理论模型的预测非常吻合。

他说:“这看起来不像我们以前见过的任何东西。” “它很快变得非常亮,然后开始迅速褪色,随着冷却逐渐从蓝色变为红色。这是完全前所未有的。”

与拉米雷斯·鲁伊斯(Ramirez-Ruiz)合作的研究生Ariadna Murguia-Berthier领导了从无线电波到伽马射线的整个光谱数据的理论合成,并发表在《天体物理学杂志快报》上,提供了一个连贯的理论框架来理解观察范围。他们的分析表明,例如,合并触发了相对论射流(物质以接近光速的速度运动),产生了伽马射线爆发,而物质从合并系统中撕裂并以较低的速度射出,推动了r过程和紫外线,光学和红外线波长下的千光发射。

拉米雷斯·鲁伊斯(Ramirez-Ruiz)计算得出,一次中子星合并可以产生相当于木星质量的黄金量。研究小组对SSS17a产生的重元素进行的计算表明,中子星合并可占宇宙中所有元素的重量比铁重约一半。

不是开玩笑

这次检测是在LIGO于2016年11月开始的第二次观测运行结束的一周前进行的。Foley在哥本哈根,利用他的一个下午与合作伙伴一起参观Tivoli Gardens,当时他从Coulter警报中得到了短信。他去了LIGO检测。起初,他以为这是个玩笑,但不久之后,他疯狂地骑着自行车回到哥本哈根大学,开始与他的团队一起制定详细的搜索计划。

“这太疯狂了。我们几乎没完成,但是我们的团队令人难以置信,而且一切都融为一体,” Foley说。“我们很幸运,但是运气偏向有准备的人,我们已经准备好了。”

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