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多信使天文时代:人类用引力波和电磁波边听边看宇宙

2018-12-31 13:32:09 北京赛车pk拾高手赌法分享 已读

  异日前景

  “一”个新兴周围:由于引力波及其电磁对答体的成功探测,一个崭新的周围即引力波天体物理诞生了。这个周围汇集了分歧周围的同仁们,从分歧的角度来钻研由引力波探测带来的新的天体物理课题。下图是今年夏季在国内第二届引力波天体物理会议上吾按照会议议程总结出的相关子周围。给年轻好友一个好新闻:这个周围是大有行为的!

  人类首次探测到引力波

  下图是伽马射线的天图,中心很宽的带是银盘。在某暂时刻,在一个随机倾向会突然发生伽马射线爆发,赓续时间为10秒左右。当它达到最亮时,其发射的伽马射线流量超过了全宇宙伽马射线流量的总和。

  喜欢因斯坦场方程是用来求解时空组织的演化的。喜欢因斯坦发现所谓“引力”其实能够描述为时空的曲曲。在广义相对论里其实异国引力,喜欢因斯坦场方程只是描述如何把物质和能量(方程的右边)与时空曲曲(方程的左边)相关首来。把方程从左读到右讲的是宇宙中的物质和能量分布如何能够引首时空曲 曲,把方程逆过来读讲的是曲曲的时空如何决定物质怎样行动。这是一个张量方程,通盘写出有16个方程(考虑度规张量的对称性自力方程有10个)。数学上专门复杂,但物理上专门浅易。更主要的是,不论你在哪个参照系,比如在地球上,在太空中,在黑洞左右,甚至在黑洞里,这个公式都是普适的,唯一分歧的是方程的解(所谓时空度规)分歧,亦即时空组织分歧。

  大质量恒星物化亡会陪同超新星爆发表象,有些极端的超新星还会陪同伽马射线暴。星系中心的大质量黑洞由于突然吞噬大量物质会产生多波段爆发。两个黑洞,两个中子星,或一个中子星一个黑洞在并相符的时候也会陪同着包括引力波在内的强烈的不都雅测表象。

  核天体物理认为,比铁重的元素,包括吾们熟识的珍贵金属金和银是议定快中子俘获产生的。这栽核过程请求逆答区中子含量很高。这些中子会和重核迅速结相符形成富中子核,然后议定衰变产生序号更高的元素(中子变为质子)。那么什么样的环境是富中子的呢?以前无数人认为超新星爆发能挑供云云的环境,但是也有一些科学家认为含中子星的致密天体并相符答该是更有能够的。这是由于在并相符前,中子星会被潮汐力扯破并有一些物质被甩出。从中子星内部甩出的物质自然是富中子的,因此自然是制造重元素的理想场所。

  关键是大片面双星产生的引力波太弱了。浅易首见吾们能够考虑两个相通质量的天体相互绕转,其引力波辐射功率(或引力波光度)能够写作如下浅易公式:

  听说做科一般知的时候,倘若写一个公式,有一半的不都雅多就会走失踪,但是吾照样要硬着头皮写下来这个公式。这是由于两个因为:第一,能来到异日论坛的不都雅多不是清淡不都雅多;第二,这个公式太时兴了,不得不把它介绍给行家。这就是著名的喜欢因斯坦场方程。

  吾们能够先不考虑f(e),由于倘若轨道近圆的话它基本等于1。能够看出,引力波光度决定于一个由基本常数决定的量(光速的5次方除以引力常数)和一个(rs/ a)^5因子的乘积,其中rs就是前线挑到的史瓦西半径,也就是星体质量对答的黑洞半径(比如太阳的史瓦西半径只有3公里),而a是双星轨道的半长轴(对圆轨道就是半径)。由于清淡rs远幼于a,再添上5次方,以是这个因子是专门专门幼的。也就是清淡双星的引力波辐射微乎其微。

  这个题目最早由华人科学家李立新(现北京大学教授)和他在普林斯顿大学的导师Paczynski教授做出钻研。他们那时是为晓畅答一位同事的疑问:含中子星的并相符答该有什么不都雅测表象?两位发外的一篇著名论文(如上图)指出:由于快中子俘获及随后的元素衰变都会开释能量,中子星并相符答该陪同着一栽比超新星黑一些的光学瞬变源,即后来所谓的千新星。按照这一理论,吾们地球上的金银玉帛都产生于太阳诞生前的一次中子星并相符。

  两年以后,2017年8月17日,LIGO第一次探测到了两个中子星的并相符以及它的多波段电磁辐射对答体。人类第一次能够用引力波和电磁波边“听”边“看”宇宙。

  值得着重的是LIGO有两个探测器。这两个探测器相距几千公里。之以是云云做是由于引力波探测器是专门详细的仪器,一点幼幼的扰动,比如一幼我拍篮球或一辆汽车开过都有能够在一个探测器产生可探测信号。只有当两个探测器都探测到相通的信号时,人们才能确认信号真实来自天外。

  “四”栽信使,四大相互作用:如前所述,除了电磁波和引力波以外,天文学家还能够用中微子和宇宙线钻研宇宙。这些周围的钻研也在不息。憧憬不远的异日人类能够用四栽信使来同时钻研宇宙及其四大相互作用,终极揭开宇宙奥秘的面纱。(图片由张冰教授挑供,来源于网络或张冰教授ppt)

  宇宙看似稳定,但其实是强烈的。恒星演化产生的致密天体,包括黑洞和中子星,是宇宙中强烈活动的天体源(如下图所示)。单个中子星迅速旋转会由于灯塔效答产生射电脉冲,一些与中子星相关的天体会发射短且自清明的迅速射电暴,在双星中的中子星会从伴星吸积物质发生X射线爆发,一些极强磁场的中子星会由于此活动产生柔伽马射线爆发。

  撰文| 张冰 美国内华达大学拉斯维添斯分校物理天文系教授,理学院副院长,美国物理学会会士

  成功与挑衅

  花开两朵,各外一枝。下面吾们介绍另外一个自力的钻研周围,这就是关于伽马射线暴首源的题目。

  第一例引力波事件,即GW150914(以探测日期命名),首源于两个约为35和30个太阳质量的黑洞的并相符,终极形成一个约62个太阳质量的大黑洞。从此 人类进入引力波天文学时代。由于引力波是一栽崭新的信使,能够比喻为一栽新的感官。从某栽意义上讲,人类现在能够用引力波来“听”宇宙了。

  千百年来,人类一向是在用眼睛或眼睛的延长(看远镜)来“看”宇宙。前人用肉眼就能够看到日月星辰和银河系。后来,伽利略发清新看远镜,使得人类能够用更富强的“眼睛”往不都雅测宇宙。吾们人眼看到的可见光只是电磁波一个专门窄的波段,在可见光之外有更长的长波如红外,微波和射电波及更短的短波如紫外,X射线和伽马射线。人们于是在这些波段建造了更富强的看远镜对宇宙进走详细不都雅测。然而,一切这些不都雅测都是用光子信使来传递新闻的。

  什么样的天体是强引力波辐射源呢?要回答这个题目必要从引力波辐射的原理说首。吾们清新吾们熟识的电磁辐射是所谓的偶极辐射,当一个电荷添速时就能产生辐射。引力波是由行动的质量引首的,由于质量异国正负之分,引力波辐射是所谓的四级辐射。换句话来说,不光质量必要添速,添速度本身也要有添速度(随时间转折)才能辐射引力波。听首来比较难实现,实际上一切相互绕转的天体都自然而然是引力波源。为什么?由于在绕转的过程中,它们的添速度倾向亦即万有引力的倾向都在随时间一连转折,以是一切的双星都能产生引力波。

  传递宇宙新闻的其它信使

  哪些天体辐射强引力波

  黑洞是宇宙中最奥秘也是最浅易的天体。它的引力有余强,以至于宇宙中传播速度最快的光都无法逃离。它的尺度,所谓的史瓦西半径,能够用以上浅易公式描述,其中G是万有引力常数,c是光速。对于任何质量的东西,只要能把通盘物质挤进这个尺度半径的球体内,就会变成黑洞。这是个很幼的尺度,对于太阳来说,要把它挤进半径为3公里的球体里才能够成为黑洞。地球要变成黑洞必要被挤进半径幼于1厘米的球才能够。在天体物理中议定恒星演化不能够产生低于2倍太阳质量的黑洞。

  短于2秒伽马暴(短暴)的首源却一向困扰着天文学家们。2004年美国的Swift卫星上天后,人们发现短暴的宿主星系是分歧于长暴的,而且伽马暴在星系中也远隔恒星形成区。这些都外明短暴不首源于大质量恒星坍缩。它们很能够和一些致密天体相相关。在2017年之前,主流模型认为短暴首源于含中子星致密双星的并相符。这些致密双星(BH-NS,NS-NS)并相符源正好又是强引力波源。探测与引力波成协的短暴能够终极解决这一首源疑难。

  第一例双中子星并相符的发现:边“听”边“看”

  经过几十年的全力,LIGO团队终于在2015年9月14号的时候探测到首例引力波事件(GW150914)。引力波探测到的信号是什么样的?下面视频表现GW150914的探测图,横轴是时间,纵轴是频率。吾们能够看到随着时间增补频率也增补,这是由于在并相符前两个黑洞的距离越来越近,互相绕转频率越来越快。这个随时间频率的演化倘若用吾们熟识的声波来听就像是鸟的啁啾声(chirp)。

  强烈的宇宙

  引力波的数学形态和物理意义在今天是显而易见的,但是喜欢因斯坦花了20年的时间才说服本身引力波是实在存在的。又过了近30年时间,人们才信任引力波是携带能量的,因此是能够探测的。

  “三”个时空尺度:以LIGO引领的地面引力波探测器已经成功探测到恒星尺度的引力波(LIGO探测到的黑洞和中子星都是恒星演化的产物)。在星系尺度上星系中心的黑洞也会并相符,探测它们发出的引力波必要更低频,亦即更长基线的探测器,西洋和中国的几个空间项现在(如LISA,太极和天琴)以及地面的脉冲星计时阵列将探测到在这个尺度的引力波。在更大的宇宙尺度,整个宇宙在大爆炸的极早期会产生引力波,现在国内外的一些看远镜(包括国内的阿里计划)都在瞄准这些信号。憧憬在今后几十年的时标里,人类真实能够用引力波钻研一切的时空尺度。

  选举

  第四栽相互作用是引力相互作用。和电磁相互作用相通,引力是长程力。与引力相对答的摇曳是引力波。这是一栽专门纤细的摇曳。人类历史上最远大的物理学家喜欢因斯坦在1915年挑出了著名的广义相对论。引力波是广义相对论的预言。整整一百年之后,也就是在2015年,人类才首次探测到了引力波。

  GW170817/GRB170817A的成功探测既是不都雅测的成功也是理论的胜利。然而正如天文瞬变源周围频繁发生的相通,每一个旧的题目的解答往往陪同着更多的新的题目和挑衅。详细到GW170817事件,现在的不都雅测不能够十足解答以下题目:并相符的产物是什么?是一个黑洞照样一个超大的中子星?喷流的组织是什么?看到的伽马射线是怎样产生的?这个短暴和其它更远更亮的短暴是什么相关?1.7秒的时间延宕是什么引首的?等等。

  吾们清新宇宙有四大相互作用。光子是电磁相互作用的传播序言。除了电磁相互作用以外,还有三栽相互作用,别离是弱相互作用,强相互作用和引力相互作用。弱作用和强作用是短程力,其传递序言不能够传播最远,但它们的产物,即中微子和宇宙线,却能够从迢遥的天体到达吾们。这两栽宇宙信使由于时间相关吾们今天不做介绍。

  “听”引力波

  出品| 新浪科技《科学行家》

  天体的演化及终极产物

  稀奇的喜欢因斯坦场方程和引力波

  如前所述,理论上预期中子星并相符事件答有短伽马暴和千新星与其成协。原形是怎样的呢?令一切在此周围做事的天文学家欢呼雀跃的是:这些电磁对答体都依约而至了。人类终于第一次用引力波和电磁波边听边看宇宙中最强烈的事件之一:两颗中子星的末了并相符。

  2017年8月17号,LIGO-Virgo团队探测到一个与其它事例分歧的引力波事件。这是人类第一次探测到双中子星并相符事件。最先给行家听一下双中子星并相符的引力波是什么样的(上面视频)。前五个都是双黑洞的并相符,时间不到2秒钟就并相符了。末了一个是双中子星并相符,由于质量比黑洞幼,末了并相符频率要比黑洞编制高。由于中子星异国黑洞致密,以是它们并相符的引力波信号要弱一些。要探测它并相符源距离地球要比较近才能够(这个源的距离约40Mpc,实在比其它黑洞并相符源近很多),因此双中子星并相符源被引力波探测器探测到的时间长。GW70817被探测到近60秒后才发生了末了的啁啾信号。由于这一稀奇的不都雅测性质,LIGO-Virgo团队能够很快确认探测到的事件是中子星并相符事件。

  末了,吾用“一二三四”做一个总结:

  归根到底,理解天体演化就是理解各栽天体如何抗衡引力。任何有质量的东西都有引力,引力的现在标就是把一切东西都相互吸引,荟萃首来,末了变成黑洞。宇宙中除黑洞外的一切星体都有某栽机制抗衡引力,比如吾们的太阳由炎核逆答产生的炎压强能够招架引力。倘若有镇日太阳核燃料烧尽了,太阳中心就会由于不及抗衡引力而坍缩。

  更进一步的题目:黑洞和中子星并相符会发生什么?双黑洞并相符能产生弱的电磁信号吗?各栽致密星并相符能够产生可探测的中微子吗?解答这些题目必要今后很多年更多的不都雅测和理论的发展。

  现在的引力波探测器(LIGO和Virgo)用的是激光干涉仪,其做事原理如视频所示。从光源发出的激光由分光镜分为两束射向探测器相互垂直的两臂,在两臂的远端悬挂两面逆射镜,逆射回来的光在分光镜处会相符发生干涉。在平常情况下两臂长相称,干涉条纹安详。当引力波到来时,时空会有规律地扰动。当一条臂变长时,另一条臂会变短(固然幅度专门幼),逆之亦然。激光的干涉条纹会有规律地发生转折,倘若不都雅测到的转折相符理论预期,人们就能确认引力波被探测到了。

  看远镜是眼睛的延长

  当人们还在商议引力波的概念时,有些人就最先设计一些浅易的实验往直接探测引力波了。韦伯设计了历史上第一个引力波探测器并宣称成功探测到了引力波,但是他的实验终局后人无法重复,被表明结论是舛讹的。真实意义上最先研制今天行使的激光干涉引力波探测器是从20世纪60年代,也就是广义相对论发外差不多50年后才最先的。从麻省理工学院韦斯教授商议激光干涉仪概念到2015年9月14日LIGO探测器首次探测到引力波,又过了大约50年。

  LIGO探测引力波的原理是什么

  重元素的首源

  吾把下图称为天体物理学中最时兴的图像:最下面一栏是GW70817引力波信号,吾们能够看到清亮的啁啾信号(发生事件为黑竖线);上面三栏是两个伽马射线暴探测器三个能段的数据,吾们能够看出在中子星并相符约1.7秒(灰竖线)后,一个赓续时间为2秒左右的短暴(GRB170817A)被探测到了。这是两个自力的周围(引力波界和伽马暴界)为解决两个自力的题目(探测引力波息争答短暴的首源)别离经过长达半世纪的全力,在这个稀奇的天体事件上相隔1.7秒胜利会师!称它最时兴一点也不过。

  伽马暴发现于1967年,即50年前左右。在很长时间内,伽马射线暴是天文学中的一个不解之谜。从不都雅测上,伽马射线暴可按照赓续时间分为两类。以2秒为界:长于2秒的叫长暴,短于2秒的叫短暴。到1997年,即伽马暴发现30年后,人们终于解决了长暴的首源:大质量恒星物化亡的时候中心坍缩形成中子星或黑洞,并陪同超新星爆发。在稀奇条件下(如星体迅速转动)中心天体能够会产生强烈的喷流。当喷流从星体中喷出后,其速度能够达到0.99995倍光速。当喷流指向地球时,吾们就看到了一个长伽马暴。

  倘若天体的质量再大,中心质量超过某个质量上限的话(介于2到3倍太 阳质量之间),异国任何机制能够抗衡引力,该天体就形成了黑洞(BH)。

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  在讲述宇宙中的引力波源之前,吾们先讲讲宇宙中有哪些天体以及它们如何演化。一幼我的一生乃至整幼我类历史在漫长的宇宙演化过程中只是一转瞬,人们无法不都雅测到一颗恒星从生到物化的演化。然而议定不都雅测很多处于分歧演化阶段的恒星并行使普适的物理规律,天体物理学家们能够理解天体的演化。

  天体引力坍缩的最闭幕局与它的初首质量相关。倘若质量不是很大,比如像太阳,末了会产生白低星(WD),一栽由所谓电子简并压招架引力的天体。 这栽天体把太阳质量大幼的东西挤进了地球大幼的尺度。倘若恒星的初首质量再大一点,坍缩后的天体超过1.4个太阳质量左右,终极的产物比白低星要幼的多,半径10公里左右,只有一个幼城市大幼。这栽产物由所谓中子简并压招架引力,叫中子星(NS)。行家清新,一切原子都是由原子核和带负电的电子构 成的,原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。形象地理解,当引力有余强时,一切的电子都被挤进原子核里与质子结相符为中子,以是中子星基本上由 中子构成。

  什么样的源产生引力波专门强呢?按照以上公式,只有a幼到挨近于rs的时候引力波辐射才会最强。这请求并相符的星体要有余致密,即它的真实尺度要专门挨近史瓦西尺度(隐微太阳和清淡恒星不悦足此请求)。双黑洞并相符首当其冲,由于两个黑洞的距离a原则上能够幼到只有2倍rs。中子星是第二栽有余致密的天体。由于其尺度比响答的史瓦西尺度大了两倍多一点,以是中子星和黑洞的并相符或双中子星的并相符也能够给出有余强的引力波辐射。

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  伽马射线暴

  第三个十足自力的科学题目是重元素的首源。上图是吾们熟知的元素周期外,统统有100多栽元素。元素的序号代外原子核中质子的数现在。天体物理能够解答各栽元素是如何形成的。最轻的元素(氢和氦以及幼批的锂)产生于宇宙大爆炸。恒星内部发生核逆答能够产生稍重的元素,一向到26号元素铁都能够在恒星内部产生。更重的元素的聚变不光不及放炎,还必须吸炎,它们不及在恒星内部相符成,只能议定其它渠道产生。

  当并相符发生时,在当地引力波的功率是专门大的。但是由于这些并相符天体距离地球专门迢遥,当引力波到达地球时信号已经专门纤细。弱到什么水平?引力波行为时空的摇曳,其强度能够用空间尺度的相对转折来描述。吾们探测到的引力信号这个值差不多是10^-22,这是专门专门幼的。对于LIGO探测器4公里的臂长,探测到的扰动只有质子半径的千分之一左右。这必要专门详细的仪器,这也是为什么人类必要花一百年的时间才终极探测到引力波。

  倘若只是一个平整的时空添一点幼幼的扰动,就像稳定的湖水被微风吹了一下,这个方程就会简化很多。方程左边的扰动项能够批准被写为对时间和空间二阶导数之和(时空项符号相逆)。这时倘若方程右边取零的话(远隔引力源),方程就简化为物理学家熟识的摇曳方程。这个方程的解就是“引力波”,时空本身的悠扬。

  结相符引力波信号和伽马暴信号,人们很快缩短了这个并相符事件在天空中倾向的不确定度。另外引力波信号能给出该源的大致距离,以是天文学家们很快锁定了几十个在该天区的星系,然后最先孜孜不倦地不都雅测来搜寻其它波段的对答体。终于在不到11幼时的时间里捕捉到光学对答体,又很快探测到该源的X射线和射电辐射。光学辐射特征基原形符预言的千新星的不都雅测特征,其它波段的辐射也基原形符短暴余辉的特征。千新星的成功探测表明双中子星并相符实在能够议定快中子俘获过程制造重元素。巧相符的是,由于天上“生产”黄金,17年8月17日当日的金价答声而落。

  “两”个周围结盟:引力波电磁对答体的发现主要是使得引力和电磁两大周围结盟。这能够从下面这篇多信使不都雅测GW170817/GRB170817A的文章看到。清淡的天体物理文章能够少到一两个多到几十个作者。这篇文章下面密密麻麻列的并不是作者的名字,而是团队的名字。倘若把一切人列出,这篇文章有3677个作者,其中引力波周围一千多个作者,电磁波周围两千多个作者。是多信使天文让行家联手。能够预期,这两个周围的对话将在今后日好强化。