在引力波和光中觀測到的第一個宇宙事件

【博科園-科學科普】大約1.3億年前在一個遙遠的星系中兩顆中子星合併相撞。災難性的撞擊產生了引力波，在空間和時間的結構上產生了漣漪。這一事件是現在激光干涉引力波天文台(LIGO)和處女座（Virgo）合作的第5次引力波觀測，也是第一次探測到的不是兩個黑洞的合併碰撞產生的引力波。

模擬圖描繪了兩顆合併的中子星，窄波束表示伽馬射線暴，而漣漪的時空網格則代表了合併的特徵的各向同性引力波。從合併恆星噴射出的漩渦狀物質是在較低能量下看到的光的可能來源。圖片版權：National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

但是這個被稱為kilonova的事件除引力波外也產生了別的東西——光，橫跨多個波長（由於黑洞的特殊性黑洞合併僅產生引力波無其他光學信號）。

這也是歷史上第一次通過引力波首次觀測到天文現象，然後用望遠鏡觀測到。在一個令人難以置信的協同努力中，超過3500名天文學家在世界各地70多個望遠鏡上使用100個儀器，並與LIGO和處女座（Virgo）的物理學家合作。所有這些觀測結果比部分總和還要大，我們現在正在學習宇宙的物理學，以一種前所未有的方式，探索關於世界所組成的元素。

kilonova的觀察，圖片：P.K. Blanchard/ E. Berger/ Pan-STARRS/DECam.

來自羅切斯特理工學院的Manuela Campanelli說：這將讓我們了解超新星爆炸是如何工作的，黃金和其他重元素是如何產生的，我們體內的原子核是如何運作的，甚至是宇宙膨脹的速度。《Multimessenger天文學》展示了我們如何將舊方法與新方法結合在一起，它也改變了天文學的發展方式。

中子星是巨大的恆星的剩餘核心，在很久以前就像超新星一樣爆炸。這兩顆恆星位於一個名為ngc4993的星系附近，它的質量是我們太陽質量的8 - 20倍。然後隨著超新星每一個都壓縮到大約10英里的直徑，一個城市的大小。這些恆星完全由中子組成，在正常恆星和黑洞的大小和密度之間——一茶匙的中子星物質會重達10億噸。

中子星在宇宙的舞蹈中互相旋轉，直到他們的共同引力力使它們碰撞。那次碰撞產生了一引力波，而那次撞擊造成了1.3億年後引力波對地球衝擊，故而今天能被我們所探測到。

雖然這一事件發生在1.3億年前，但只是在2017年8月17日，在日食之前才知道這一點。在早上8:41分LIGO和處女座發現了時空漣漪的早期震顫，引力波。僅僅兩秒鐘後NASA的費米太空望遠鏡就發現了一束明亮的伽馬射線。這使得研究人員能夠快速確定漣漪的方向。

在一位天文學家發出的電報中，全世界成千上萬的天文學家都在努力觀測，並開始收集中子星合併的額外數據。

動畫展示了LIGO、處女座和太空望遠鏡以及地面望遠鏡在LIGO和處女座於2017年8月17日探測到的引力波位置。通過將費米和積分空間任務的數據與LIGO和處女座的數據結合起來，科學家能夠將海浪的源頭限制在30度的天空。可見光望遠鏡在該區域搜索了大量的星系，最終揭示了ngc4993是引力波的來源。

處女座合作的發言人Jo van den Brand在一份聲明中說：這一事件是迄今為止探測到的所有引力波的最精確的天空定位，這一創紀錄的精確度使天文學家能夠進行後續觀測，從而導致了大量驚人的結果。

這提供了第一個真實的證據，即光和引力波以同樣的速度傳播——正如愛因斯坦所預言的那樣。

在短短几天內kilonova就從紅色褪色了20倍，這一快速變化是由拉斯康比斯天文台望遠鏡捕捉到的。圖片：Sarah Wilkinson / LCO.

從很小到最著名的天文台都參與了，並迅速進行了觀察。起初這一事件在不到6天的時間裡就消失了。豪厄爾說在最初的幾個小時里，觀察到的光比太陽的亮度要亮200萬倍，但在幾天內就消失了。

在智利安第斯山脈的Cerro Tololo美洲天文台的Blanco 4米望遠鏡上安裝了暗能量照相機(DECam)，它是幫助定位事件源的工具之一。

來自布蘭代斯大學的Marcelle soares - santos在簡報會上說：我們每次面對LIGO的合作問題時，都面臨著一個新的挑戰，那就是我們如何尋找一種正在迅速消失的源頭，這可能是一開始就有的，而且是在那裡的某個地方。她是描述與引力波相關的光學信號的第一作者。這是一個經典的挑戰，在乾草堆里發現一根針，而另一個複雜的問題是針是遠遠的，而haystack正在移動。

隨著DECam的出現很快就能夠確定源星系，並排除了其他1500名在這堆草堆中出現的候選者。看起來像針的東西很常見，所以我們需要確保我們有合適的針頭，今天我們確信已經這樣做到了。

在一個很小的部門一個小型機器人16英寸的望遠鏡(pan彩色機器人光學監視和偏振測量望遠鏡)——來自亞利桑那大學的天文學家David Sand在「基本上是一個增強的業餘天文望遠鏡」的描述中，也幫助確定了來源。這證明了即使是小望遠鏡也能在《摩蒂默斯》天文學中發揮作用。

眾所周知的是由哈勃和其他幾個NASA和ESA太空天文台，如Swift,Chandra和Spitzer任務。哈勃在可見光和紅外光中捕捉到星系的圖像，在ngc4993中見證了一個新的明亮物體，它比超新星更明亮，但比超新星更微弱。這些圖像顯示在哈勃觀測的6天時間裡，該物體明顯褪色。利用哈勃的光譜能力，研究小組還發現，基羅諾瓦的材料被噴射的速度高達光速的五分之一。

2017年8月17日激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉儀探測到兩顆中子星相撞的引力波。在12小時內天文台已經確定了在透鏡星系ngc4993內的事件的來源，這張照片顯示的是NASA / ESA的哈勃太空望遠鏡。與之相關的恆星耀斑，kilonova在哈勃觀測中清晰可見。這是第一次觀測到引力波事件的光學對應物。正如8月22日至28日的觀測所顯示的那樣，哈勃觀察到在6天的時間裡kilonova逐漸消失。圖片版權： NASA and ESA. Acknowledgment: A.J. Levan (U. Warwick), N.R. Tanvir (U. Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI).

豪厄爾說：這是天體物理學的一個轉折點，在愛因斯坦提出引力波的100年後，我們看到了並追蹤回到它們的源頭，發現了一種我們以前只夢想過的新物理的爆炸。

下面是這個單一事件產生的一些見解：

伽瑪射線：理查德·奧肖尼西解釋道（他也是來自羅徹斯特理工學院和LIGO團隊的成員）這些閃光現在肯定與合併中子星有關，並將幫助科學家研究超新星爆炸的工作原理。最初的伽馬射線測量，再加上引力波探測，進一步證實了愛因斯坦的廣義相對論，它預測引力波應該以光速傳播。

金和鉑的來源：哈佛史密森天體物理中心的埃多·伯傑在新聞發布會上說這些觀察揭示了元素周期表中最重元素的直接指紋。兩顆中子星的碰撞產生了10倍的地球質量（僅在黃金和鉑金）。想想這些材料是飛出這個事件，最終與其他元素結合形成恆星，行星，生命…和珠寶。

Berger還補充了一些其他的想法：這些恆星最初的超新星爆炸產生了鐵和鎳的所有重元素。在這一系統的基羅諾瓦，可以看到重元素的周期表是如何形成的完整的歷史。

原子物理學天文學：最終像這個發現這樣的觀察將告訴我們，我們身體的核是如何運作的，引力對中子星的影響將告訴我們，中子的運動有多大，通過推斷中子和質子——身體內部的物質構成了我們大部分的質量和

宇宙學：科學家現在可以獨立地測量宇宙膨脹的速度，將距離與銀河系的距離進行比較，其中包含了從我們的引力波觀測中推斷出的明亮的光和距離。

來自CfA的天文學家托尼·皮羅(Tony Piro)說：研究與引力波和光的相同事件的能力是天文學上的一場真正的革命。」現在可以用完全不同的探針來研究宇宙，我們只能用一個或另一個來教授我們永遠不可能知道的東西。

LIGO的科學發言人David Reitz說：對我來說，這一事件之所以如此神奇是因為我們不僅探測到了引力波，而且還看到了世界上70個觀測站所看到的電磁波譜。這是宇宙第一次向我們提供相當於聲音的電影。而這個視頻是觀測天文學不同波長的，聲音是引力波。

參考：拉斯坎普雷斯觀測所，哈勃太空望遠鏡，羅切斯特理工學院，Kilonova.org，CfA，新聞發布會等

作者：Nancy Atkinson

來自：Universe Today

編譯：光量子

審校：博科園

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