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引力波研究是这几年前沿物理学上的热门专业,前些日子关于引力波的研究还拿到了诺贝尔奖,诺贝尔物理学奖评委会宣布三位研究引力波的物理学家获得了诺贝尔物理学奖,他们分别是美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯、加州理工学院教授基普·索恩和巴里·巴里什,但是还在诺奖颁奖之前一个多月的2017年8月17日,在近地轨道默默飞驰着的费米-伽马射线太空望远镜于12:41:04 (协调世界时)探测到了一次来自宇宙深处的伽马射线暴发,地点在1.3亿光年之外,它立即向地面自动发送了一条简讯,但是在此前的1.7秒, 位于美国加利福尼亚州汉福德市的 LIGO 引力波探测器也探测到一次引力波暴发事件。

之后的一个小时之内,世界各地的望远镜控制中心同时收到加入全球联网系统(Gamma-ray Burst Coordinates Network, GCN)的一则通知,内容是发现一例高度疑似双中子星并合事件,并通报了初步判定的方位坐标。于是全世界的天文学家纷纷把自己的望远镜指向信号来源的方向,共同去观察这次壮观的宇宙现象,这也是极为少见的全球天文学家都亲历的宇宙观测事件,其成果已于今日发布,认为这次引力波是人类已探测的五次引力波中最强的一次,持续时间约一分钟,以往的都在一秒钟左右,这可能都是由于这次引力波事件相对距离较近的原因。

在整个宇宙空间中,引力都是无处不在的,但是由于宇宙中物质密度分布是不均匀的,所以引力的分布也是不均匀的,就好像我们身处地球上,平时看不到空气,但空气也是无处不在的,但是不同地点的空气也有高压低压之分。那么引力为什么会成“波”状呢?其实也很好理解,它和声音的性格很相似,比如当云层中响起雷声的时候,虽然我们相隔得很远,但是仍然能听到雷声传来,这是由于雷声引起了空气震动,这种振动以声波的形式传播,来到我们耳边的时候,我们就听到了打雷的声音。

由于宇宙中引力场无处不在,所以能引起引力扰动的事物,都会产生引力波,最强大的引力波应当是宇宙大爆炸时产生的,其引力波有宇宙初生时的“啼哭”之称,从宇宙诞生后便一直四散传播,不过现在可探测到的余响能量非常小,被科学家们称为“随机引力波背景”,但这些年各国科学家在引力波方向上的研究,主要都是倾向于超新星爆发、中子星和黑洞的合并产生的引力波,因为波能比较强大,近几年发现的四次引力波都是黑洞合并产生的,但是这次的引力波则是由中子星合并引发的。

那么怎样检测到引力波呢?引力波和声波及无线电波的性质有点相类似,当引力波产生之后,它也会大面积长距离地传播开去,因此在科学上它是要靠“听”的,当然人的耳朵是听不到的,这需要精密的科学仪器,研究引力波的仪器都相当于耳朵或雷达的功能。因此如果能有收听引力波的“耳朵”,当然也就能发现它的存在了,获得诺贝尔奖的引力波探测器LIGO就非常精密,它的双臂每一条都长达四公里,但引力波对里面的激光探测引起的变化小于一颗质子直径的千分之一,这么小的变化,被探测出来是极其困难的,所以爱因斯坦说引力波无法被测量出来,由此也可见如今探测仪器的精度真是让人匪夷所思。

迄今为止,人类已经探测到五次引力波爆发事件,但是前四次都是由于黑洞的合并引起的,这一次则是由两个中子星的合并引起的,中子星的个头很小,直径只在10到30公里之间,但是质量却比太阳还大,对它的观测将可以揭开许多宇宙之谜。中科院高能物理所天文学家、粒子天体物理重点实验室主任张双南院士对这次的探测十分兴奋,他说:“这一次,不仅仅激光干涉引力波天文台听到了两个中子星结合的欢快的声音,天文望远镜也看到了它们相爱迸发的烟花!耳听为虚,眼见为实!从此,人类终于耳聪目明了!”

这是因为中子星不像黑洞,中子星是发光的,而且这次天文望远镜观察的也比较及时,同时有一些太空观测卫星也参与到这次事件的探测中,我国今年(2017年)6月15号发射运行的慧眼天文卫星也参加了这个创造了天文学历史的全球大联测,张双南院士就是我国慧眼卫星的首席科学家,据他介绍,他和同事们那天(2017年8月17号)夜里用慧眼卫星对这个事件进行了观测和几乎实时的数据分析,迅速发布了观测结果!因晚上没有顾上回家休息,张院士还因为“在办公室打了个盹而小小地感冒了一场!”

让张双南院士感到自豪的是:“尽管慧眼卫星没有探测到这个事件的伽马射线暴,但是由于其伽马射线波段的灵敏度最好,对于这次事件的伽马射线辐射给出了最严格的限制,对于理解这样的引力波爆发过程是无可替代的。”

这次事件中,我国的慧眼卫星也算是立了大功,张南院士主导的慧眼团队110名科学家带着慧眼的结果加入了这个中子星合并引力波的创造“天文记录”(全球将近一千个单位的三千多个作者)的历史性论文写作中。但张双南院士更关心的是,慧眼卫星什么时候能够看到“产生引力波的时候绽放出伽马射线烟花”。

张双南院士认为:双中子星并合过程既能产生引力波,又能产生电磁波,但意义更重大的是:“天文学家可以通过(中子星合并产生引力波这样的事件)详细研究中子星内部的物质到底是什么,真的是一堆中子还是一团夸克物质?用引力波作为“标准烛光”替代超新星,是否会得到一幅不同的宇宙演化图像?爱因斯坦说了引力波的速度是光速,真的是这样吗?”

引力波研究方兴未艾,这次的中子星合并引力波事件,让整个天文界都沸腾了,张双南院士预言说在天文学界,“一个崭新的天文学、物理学和宇宙学的交叉前沿研究领域在一片惊呼中就这样诞生了!”

责任编辑: 鲁达

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