聽說整個天文界都嗨了!難道真的是因為這個?

科學人王善欽2017-10-15 18:02:23

作者:王善欽  南京大學,加州大學伯克利分校

編輯:明天


編者按


這兩天,南京紫金山天文臺、歐洲南方天文臺、清華大學LIGO工作組,澳大利亞OzGrav團隊……全世界數十家天文機構相繼宣佈,準備同時發佈重大消息。發佈會的邀請甚至用到了“前所未有”(Unprecedented)這樣的描述。


天文圈炸了!發佈會之前,科學人邀請天體物理學博士生王善欽與劉博洋,來給大家講講,是什麼讓全世界的天文學家都嗨起來了。


明天,科學人將攜眾位大咖,給大家揭祕這次天文界的狂歡。明晚10點,敬請期待。


2017年8月18日上午,德州大學奧斯汀分校的著名天文學家J. C. Wheeler 發了一條推特,聲稱LIGO發現了新的源,這個源伴隨著一個


 

隨後,華盛頓大學西雅圖分校的天文學家Peter Yoachim也發了兩條推特,說天文學家在距離我們約1億光年的NGC 4993星系發現了引力波及其光學對應物,它們由兩個併合後發出。

 

這次的引力波從哪兒來?即使忽略Yoachim所說的“由兩個中子星併合”這條信息,僅根據“引力波”、“光學對應物”、“1億光年以外(銀河系之外)”,我們就可以先用排除法來確定傳言的引力波的來源了。當前的引力波探測器能夠探測到的引力波有以下幾類來源:


黑洞-黑洞併合,超新星不對稱爆發,黑洞-中子星併合,或者,中子星-中子星併合。黑洞-黑洞併合幾乎不可能有光學對應物,排除。超新星不對稱爆發只有發生在銀河系內部才可以被觀測到,排除。因此,只剩下兩種可能性:黑洞-中子星併合,或者,中子星-中子星併合

 

如果Wheeler等人的傳言屬實,那就意味著,人類探測到了中子星-中子星併合所發出的引力波。黑洞-中子星併合,或是中子星-中子星併合,都會產生極其豐富的天文現象(相比之下,黑洞併合幾乎只能是引力波,而不會伴隨其他現象),不僅會引發一輪觀測的狂潮與狂歡,還將是天文學上一個偉大的里程碑。因此,《自然》雜誌對這三條推特內容表示出強烈的興趣,在8月24日進行了報道。

 

最近一些天的傳言則說,2017年10月16號,相關小組將會召開新聞發佈會直播,同時會有大量相關論文公佈。在發佈會大新聞刷屏出現之前,我們來預測一下,Wheeler與Yoachim提到的“光學對應物”到底是什麼?為什麼可以根據引力波與其光學對應物推測出這是與中子星有關的併合爆發事件?為什麼說這個發現是天文學的一個新紀元?

 

黃金和白銀的起源


蘇聯著名物理學家Laudau在1932年首次提出中子星的假說,到1967年,英國科學家Bell的觀測才證實了存在中子星的假說。中子星幾乎完全由中子構成,比普通物質緻密得多。它們的半徑雖然只有大約10千米,但卻可以比太陽還重一些。典型的中子星質量大約是太陽的1.4倍,最大質量大約有2到3個太陽的質量(精確數值至今尚未確定)。

 

如果一個雙星系統由中子星-中子星,或者黑洞-中子星構成,它們會繞著共同的中心旋轉。根據愛因斯坦的相對論,旋轉的過程會不斷輻射出引力波,導致系統能量降低,軌道縮小。經過大約幾億年,雙星系統撞在一起,釋放出猛烈的引力波。


兩個中子星繞轉過程中,發射出引力波,軌道縮小。圖片來源:NASA

 

1974年,德州大學奧斯汀分校的Lattimer 與Schramm提出,黑洞與中子星併合,會使一些中子星碎塊被甩出,這些碎塊內部會發生快速中子俘獲過程,形成大量重元素。中子星與中子星的併合也會導致一部分中子星碎塊被拋灑到太空之中。


兩顆中子星併合的數值模擬可視化圖。圖片來源:參考文獻[1]

 

那些逃離的中子星碎塊的質量在太陽質量的0.001倍到 0.1倍之間,速度大約是光速的0.1倍到0.3倍。這些中子星碎塊迅速解壓、膨脹,並形成大量放射性物質。後來的更仔細研究認為,地球以及宇宙中其他地方的金、銀、鈾等重金屬大多是黑洞-中子星併合以及中子星-中子星併合拋出的碎塊中形成的。據估計,中子星的一次碰撞,拋出的碎塊中形成的黃金足有300個地球那麼重[2]。也就是說,你的金戒指或者金項鍊裡面,大部分黃金是至少幾十億年前中子星與中子星或黑洞碰撞後的碎塊裡產生的。這些碎片被撒入廣袤無垠的太空中,其中的一部分與其他大量物質在46億年前凝成了我們的地球。

 

“千新星”

比金銀起源更重要的發現


1998年,普林斯頓大學的李立新教授與已故天文學家Bohdan Paczyński 教授發表了一篇研究中子星-中子星併合後拋出的中子星碎塊的輻射性質的論文。

 

他們的研究表明,這些碎塊內部形成的大量放射性元素髮生衰變與裂變,釋放出大量的伽瑪射線和高能電子,將整團物質加熱到上萬度,發出大量光芒。這個行為類似於超新星,但持續時間短得多,僅有一兩天。2005年,加州理工學院的Kulkarni 教授也研究了這類現象,將這個現象命名為“巨新星(Macronovae)”。

 

2010年,普林斯頓大學的Metzger與合作者進一步研究了這類事件,考慮了更復雜的一些過程,發現它們的亮度低於超新星,但大約為“新星”亮度的1000倍。根據Petrosian 的建議,他們稱這類現象為“千新星(kilonovae)”。這些千新星亮度大約是太陽亮度的幾千萬倍。

 

2013年3月,加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室的Barnes與Kasen重新計算了中子星拋射物中形成的重元素的不透明程度,發現不透明程度比之前小組計算的值高几十倍以上。經過這個修正,它們發現“千新星”的溫度只有幾千度,且輻射大部分集中於紅外波段與紅色波段。

 

2013年6月,在Barnes與Kasen的結果在公佈僅僅3個月後,哈勃太空望遠鏡上面的紅外照相機就首次發現了一顆千新星,它的輻射果然集中在紅外線區域!(與此類似的另一次事件是,1996年6月,賓州州立大學的著名天文學家Mészáros與劍橋大學的著名天文學家Rees公佈了一篇論文,預測並計算了的光學餘輝與射電餘輝。八個月後,科學家就真的觀測到了伽瑪暴的X射線,光學餘輝與射電餘輝。

 

紅色點(儘管只有一個點)為第一個被確認的千新星的數據點,兩條先上升再下降的橘黃色線分別是0.1個太陽的噴射物形成的千新星與0.01個太陽的噴射物形成的千新星的亮度演化曲線,它們包圍的區域都是理論上允許的,千新星的觀測點落在理論預測的範圍之內。圖片來源:參考文獻[3]

 

引力波與千新星


早在引力波探測器有能力探測引力波之前,就有許多學者提出,將來的引力波探測器一旦探測到涉及中子星的併合事件,光學望遠鏡就可以探測到伴隨的“千新星”,並利用千新星的精確定位來確定引力波發生的精確位置。2013年發現的那顆千新星顯然應該是中子星-中子星系統或者黑洞-中子星碰撞產生的。但是,對比引力波探測器的觀測能力,它太遠了。即使現在的引力波探測器也探測不到伴隨它的引力波。

 

如果發生碰撞中子星-中子星系統或者黑洞-中子星離地球足夠近時,它們發出的引力波會被地球上的探測器探測到,它們拋出的碎塊形成的“千新星”也可以被普通的光學望遠鏡觀測到。

 

天文學家Peter Yoachim在推特里說,這次發現引力波的NGC 4993星系距離我們1.3億光年,這個距離,確實是足夠讓天文學家同時觀測到這兩類現象的。因此,Wheeler和 Yoachim 提到的“引力波的光學對應物”,指的自然就是“千新星”。


天文學家的豐盛晚宴

黑洞/中子星-中子星併合


同時發現了引力波與光學對應體(千新星)只是天文界如此激動的原因之一。天文學家激動的另一個原因是,黑洞/中子星-中子星併合還會產生其他多類現象。根據現有的理論,黑洞/中子星-中子星併合之後,大部分物質直接融入新的中心天體(基本上為黑洞)之中,但有一小部分物質被拋出。

 

這些被拋出的物質又有兩種命運。其中一部分逃逸到太空,成為千新星。這些物質在運動過程中,與星際介質相互作用,會加速星際介質中的電子,發出射電輻射。

 

另一部分物質在黑洞周圍形成一個盤或者環,落入中心,構成一個“黑洞-吸積盤”系統。這個系統會在黑洞的旋轉軸方向形成噴泉一樣的“噴流”,噴流內部形成伽瑪射線暴(伽瑪暴),持續時間一般不超過2秒(短伽瑪暴)。噴流繼續在太空中前進,與星際介質相互作用,產生X射線、光學、射電等多波段輻射,這就是伽瑪暴的餘輝。

 

因此,黑洞/中子星-中子星併合,理論上至少產生五類現象:引力波、千新星、千新星掃除物質發出的射電輻射、短伽瑪暴,和短伽瑪暴的餘輝


黑洞/中子星與中子星併合之後,產生的豐富現象。圖中BH表示黑洞;GRB表示伽瑪暴;Jet-ISM shock(afterglow)表示噴流-星際介質衝擊波產生的餘輝;optical(hours days)表示持續幾小時到幾天的光學餘輝;兩處Radio(years)表示持續幾年的射電餘輝或者射電輻射;Kilonova (t≈1d)表示持續時間約1天的千新星輻射(此圖為2012年製作,2013年的新結果表明千新星會持續十幾天);Eject-ISM shock 表示千新星物質與星際介質碰撞產生的衝擊波。右上角的眼睛表示觀測者,虛線表示視線。圖片來源:參考文獻[4]

 

從上圖可以看到,發現千新星和引力波,不一定就會發現短伽瑪暴。因為伽瑪暴像手電筒的光一樣具有方向性,如果沒有朝著地球,我們就無法發現它們。但反過來,發現短伽瑪暴,就很有希望觀測到千新星。前提是,有足夠靈敏、強大的紅外與光學望遠鏡。2013年首次被發現的那顆千新星,就是在發現一個短伽瑪暴之後,跟蹤觀測之後發現的。

 

這次天文學家觀測到了什麼?


為什麼說這次是盛宴?這次的引力波事件,上述五大類現象至少有兩類(引力波、千新星)已經被發現了。那麼,這次發現了伽瑪暴了嗎?國際時2017年8月17日12:41:06.47,NASA的伽瑪射線望遠鏡“Fermi”探測到一個伽瑪暴[5]。這個伽瑪暴隨後獲得了編號:GRB170817A(GRB是伽瑪暴的英文縮寫,數字表示年月日,A表示這是這一天探測到的第一個伽瑪暴)。


這是一個持續時間大約為2秒的“短伽瑪暴”,它正好就在這次傳說中的引力波所在的NGC 4993星系內。

 

過去一些天,一些國外媒體的新聞就猜測GRB170817A就是伴隨著引力波及其光學對應物(千新星)的短伽瑪暴[2]。而且,要注意,就在這個伽瑪暴被發現後的第二天(8月18日),Wheeler就發推特。說LIGO發現了伴隨光學對應物的引力波。8月17日之後,地球上大量光學望遠鏡和太空上的一些重要望遠鏡都對準這個星系進行了後續觀測。例如,哈勃太空望遠鏡的日常報告第7710號的列表中,就記錄了第15382項目:觀測GRB170817A的紫外光譜[6]

 

種種跡象都表明,GRB170817A極可能是與引力波以及其光學對應物一起出現的短伽瑪暴。它的多波段餘輝也可能被深入研究了,只是現在相關結果還處於保密狀態,沒有公佈。

 

這個發現的另一個重大意義在於可以直接確定短伽瑪暴的起源。短伽瑪暴的來源多年來懸而未決,2013年根據千新星與伽瑪暴同時同地出現這一事實,人們已經間接證明短伽瑪暴來自中子星-中子星或者中子星-黑洞併合。如果這次如果真的發現引力波、千新星、短伽瑪暴來自同一個爆發,那就首次直接證明了:至少一部分短伽瑪暴來自中子星-中子星併合或者中子星-黑洞併合。


天文界的又一波狂歡


我們可以相信,伴隨一個光學對應物的引力波確實被發現了,二者來自中子星-中子星併合或者黑洞-中子星併合。針對引力波的分析會給出雙星的質量,從而判斷出到底是哪一種。但無論是哪一種,都一樣重要,都將是“多信使天文學”的一個偉大里程碑。

 

所謂的“多信使天文學”,指的是通過引力波、電磁波、高能宇宙線、中微子中的兩個或者多個進行聯合觀測。2015年前,引力波的觀測是缺席的;2015年到不久前,探測到的引力波事件都是黑洞-黑洞併合,沒有令人信服的電磁波對應物被探測到。這次傳說中的引力波首次實現了引力波與電磁波各波段的聯合觀測。

 

10月16號的發佈會將給過去一個多月的傳言一個最終的判決。即使這次的傳言為假,將來美國的LIGO和歐洲的Virgo會繼續聯合觀測,每年都會發現這類併合現象。而大量光學望遠鏡、伽瑪射線衛星/飛船、X射線天文臺、射電望遠鏡都將投入到後續觀測之中,引發一波又一波觀測的浪潮。對一些近距離的碰撞與爆炸,中微子天文臺也將加入觀測隊伍。多信使天文學的時代正式到來,我們會經常看到“引力波-千新星”以及“引力波-千新星-伽瑪暴-餘輝”的聯合觀測。

 

天文學的下一個盛宴與狂歡才剛剛開始。

 

作者名片

排版:曉嵐

題圖來源:NASA

參考文獻:

1. Bauswein, Goriely, & Janka. ApJ, 2013, 773: 78

2. Nadia Drake, Strange Stars Caught Wrinkling Spacetime? Get the Facts.National Geographic, 2017.

3.Tanvir et.al, Nature,2013, 500: 547

4.Metzger & Berger. ApJ, 2012, 746: 48

5.gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3/21520.gcn3

6.  www.stsci.edu/public/hst_status/hst_status_2017235_7710.html 


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