宇宙大爆炸本身会产生引力波,我们称之为原初引力波。

武威、

“这是一个划时代的发现。”一头银发的中国科学院紫金山天文台南极天文中心主任、首席科学家王力帆兴奋之情溢于言表。

9天前,全球70多家天文台共同宣布,人类首次直接探测到双中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号。

在这次兴奋了整个人类的天文学发现中,中国有两台望远镜参与了观测。其中一个是南极天文中心设在南极“冰穹A”上的巡天光学望远镜AST3-2,这是中国望远镜首次观测到引力波的辐射源,标志着我国天文研究步入国际先进。

近日,广州日报全媒体走访了中科院紫金山天文台南极天文中心、南京天文光学技术研究所,解密中国科学家们如何“带着装备”加入探测引力波战团的背后故事。

科学背景

引力波也被称为“时空的涟漪”,1916年爱因斯坦基于广义相对论预言,会带动周围的时空一起波动。此后百年间,科学家一直在寻找引力波的存在,直到2015年人类首次探测到引力波,3名美国科学家因此获得今年的诺贝尔物理学奖。

2017年8月17日,LIGO(激光干涉引力波天文台)和VIRGO(欧洲“室女座”引力波探测器)共同探测到引力波事件GW170817,这是人类首次直接探测到双中子星引力波,第一次同时探测到来自同一个天文星体的引力波与电磁波。

此前,人们观测到的4例引力波事件均来自双合并。而观测双中子星合并并产生了引力波和电磁波,将有助深入了解核物质的行为。

对发现引力波事件GW170817,中国科学院紫金山天文台南极天文中心主任王力帆将它与哥白尼的日星说、开普勒发现椭圆形轨道、伽利略发现木星的卫星等过往天文学重大发现相提并论。

好比汽车改变人类的发现

直到中午时分,工作繁忙、身材瘦削的王力帆才出现在眼前,他邀请去到紫金山天文台外的小饭店共进午餐。

给自己简单地点了一碗牛肉面,吃的是黑椒牛柳盖饭。用餐间隙,天文学家王力帆详细解释了此次引力波事件的来龙去脉。

“这是一个划时代的发现。我想,不光是天文学的标志件,若干年以后,当人们讲到我们这个年代的科技时,也必然会提到这个发现,不是排第一,就是排第二。”王力帆说。

“我们处在人类社会科学技术大爆炸阶段,建造创新型社会是必然的。科技驱动正在让人类社会发生着深刻的变化。”让王力帆高兴的是,中国望远镜探测到引力波的社会效应,就是能让更多普通人越来越关心科技发展。

1994年,从中科大博士毕业,今年是王力帆入行天文学研究的第23年。说起他已灰白的头发,他笑说与勤奋工作无关,“头发早就白了,以前还尝试染过,现在不想染了。”

作为中国首次观测到引力波辐射源的望远镜项目负责人,王力帆说自己真正对天文感兴趣还是在大学快毕业时。

他在母校中科大最初读的是无线电专业,后来改读物理。

20多年前,宇宙学在中国很少有人做,正好霍金来王力帆的学校作有关理论的报告。

当时王力帆听到的宇宙大爆炸理论、星系形成的理论都还处在初级阶段,因为观测还不够,很多预言都摆在那里没有被证实。没有被证实的假说,加上当时中科大优越的科研环境,最后好奇心与进取心,激发了他研究天文学的兴趣。

如同汽车给人类生活的改变一样,王力帆认为,此次引力波事件GW170817也让天文学家有了新的工具来研究宇宙。

“天文学家以后该如何使用望远镜都要好好考虑一下。”他说。

天文“淘金热”如何开始

与王力帆同样兴奋的,还有紫金山天文台高能时域天文团组首席科学家吴雪峰,他专门研究伽马射线暴,一种在此次双中子星合并时产生的电磁波之一。

“这次,仅在LIGO观测到引力波信号1.7秒后,美国费米太空望远镜就探测到名为GRB170817A的短伽马射线暴。这是第一次确认中子星碰撞是短伽马射线暴的一个来源,而这以前只是理论推测。这对我的研究非常重要。”

吴雪峰说,此次天文发现证实了宇宙中金、银、稀土等超重元素是如何生成的。

更重要的是,人类从此又多了一种天文观测方法,未来,人类可以利用电磁波、引力波、中微子、宇宙线等多种观测手段相结合进行天文研究,“这开启了一个多信使天文学的时代,就好比人观察一头大象,过去我们只能用眼睛去看,现在我们多了观测手段,可以摸还可以闻,这样我们描述的大象就会更真实、准确。”

已知的电磁波具有波粒二象性,那么传播速度和电磁波一样快的引力波是否也会有引力量子呢?吴雪峰向解释,引力波极难监测,它的频率非常低,因此它主要以波的形式在宇宙中存在。

2019年将有更多数据

南极天文中心的朱镇熹博士是2007年我国首批前往南极“冰穹A”架设望远镜的工作人员,整整十年过去了,我国的南极天文科考从无到有,从小到大,朱镇熹都看在眼里。

谈到这次AST3-2望远镜的表现,朱镇熹非常自豪地表示:“我国现在已经成为南极科考强国。”

“当然,最艰辛的还是去南极科考的一线工作者。”朱镇熹说,这些年前往南极的科考队员非常感谢国家海洋局极地考察办公室、中国极地研究中心等单位的大力支持。走一趟南极,一来一回就是160天,南极的高寒缺氧环境更是常人难以忍受的。

吴雪峰、朱镇熹均向透露,因为卫星通信成本高,传递速度慢,AST3-2仅传回了少量最精华的数据。预计我国科考队员将会在2019年前往那里,将储存所有原始数据的硬盘带回国内,进行更深入的研究。

对话中科院紫金山天文台南极天文中心主任王力帆:没中子星合并就没手机,随时准备监测相撞

广州日报: 看到LIGO给你发的消息,你当时的感受是什么?

王力帆: 很兴奋,我一开始有点不相信,怎么可能这么快就找到了双中子星相撞产生的引力波源。宇宙中较强的引力波源产生,往往是双相撞、双中子星相撞或者是与中子星相撞,未来,越来越多类似的事件会被人类探测到。

引力波与生命起源有关

广州日报: 这次观测最让你兴奋的是什么?引力波是否与生命起源有关?

王力帆: 有很多。对公众比较有意义的是引力波本身的探测,以及宇宙中元素产生的过程。它的发现佐证了爱因斯坦关于引力波的理论。

宇宙中的贵金属是怎么来的?目前已经有不少人认为双中子星相撞是最主要的来源,有人甚至认为是唯一来源。

宇宙中的氢、氦、氮、氧等元素的起源已经很清楚了,我们知道这些物质的比例。宇宙大爆炸产生一些元素,恒星燃烧又产生一些元素,但这样的反应产生到铁元素就不会再继续了,因为元素周期表里,铁原子核的结合能是最低的,照理,宇宙中不可能再产生比铁更重的元素。

以前,我们只是理论上知道,超重元素的产生可能源自中子星的并合,但并没有观测到,这次确确实实看到了。这些元素对生命产生很重要,对当下生活也很重要。

比如我们用的手机,都含有金子和稀土元素,如果宇宙中没有中子星并合的过程,这些元素可能都不会产生,人类也不可能进行手机通讯。

将在探测原初引力波

广州日报: 除了探测引力波,紫金山天文台的“悟空号”用来探测宇宙中的暗物质,它的探测方式是如何的?

王力帆: 暗物质能够使光线弯曲。“悟空号”是要探测暗物质本身的粒子,暗物质虽基本不与其他物质发生相互作用,我们通常无法测量,但暗物质仍可能带有很弱的电磁信号,“悟空号”仍可能测量到,我们预计暗物质应该位于能量比较高的区域。

广州日报: 当初你决定要让AST3-2南极巡天望远镜观测此次引力波对应的光学信号,其实也冒着望远镜损坏的风险,为何当时如此坚决?

王力帆: 当时观测的角度超过了常规的范围。我就问大家要不要观测,大家并没有不同意见,所以就决定试试。经过我们试验,发现AST3-2确实可以找到引力波源所对应的坐标,就开始观测了。

广州日报: 未来我国是否会研制直接监测引力波的探测仪器?

王力帆: 要测试引力波,需要非常精密的设备、非常先进的技术。宇宙大爆炸本身会产生引力波,我们称之为原初引力波。我们准备在阿里地区造一个原初引力波的探测器,它实际是探测十分微弱的电磁信号,由于引力波会引起电磁信号上的一些特征,我们找到这些特征,去间接证明原初引力波。

下次或中子星与相撞

广州日报: 未来的研究方向有哪些?

王力帆: 现在的关键课题是,以后再发现新的引力波源时,我们将如何协调起来配合观测。最近我们课题组就要开会,讨论怎样面对下一个引力波的突发事件,我们有哪些设备可以用来观测。宇宙中每一次的碰撞结果都不会完全一样,这次是双中子星相撞,下次可能是中子星与相撞,形成一个更大的,未来有很多未知的发现在里面。天文学是一门观测科学,它的主要目标是发现新的天文学现象。

对于望远镜传回来的光谱数据,我们仍会进一步去探测研究,看中子星相撞到底产生了哪些元素。

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