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我们是如何预测和发现引力波,哪些人参与发现引力波

来源:整理 时间:2022-04-24 16:59:20 编辑:科技知识 手机版

这次的引力波源距离我们1.3亿光年,是目前探测到的所有引力波源中最近的一例。通过波形的拟合,科学家们确定了两个中子星的质量分别大约是1.15和1.6个太阳质量,合并后的天体质量约为2.74个太阳质量,抛射出去的仅有0.01个太阳质量。3、已解之惑与未解之谜此前,无论是对于中子星本身,还是双中子星合并产生的伽玛暴,我们还有很多的疑难问题有待解答。

双中子星合并之后,产生的是转速更快的中子星还是黑洞?有多少物质会在爆发中被抛射出去?喷流的机制和喷流的夹角是怎样的?我们都还不能确定。此外,到目前为止,科学家对于中子星内部的组成和结构仍不是特别清楚。而当两个中子星互相靠近但未合并之时,两个中子星会被彼此的潮汐力拉扯严重变形,从而最终影响旋近的速度,也会影响产生的引力波波形。

所以,科学家们希望,引力波和电磁波的联合观测能够对这些问题提供一部分珍贵的答案。遗憾的是,受限于目前引力波探测设备的灵敏度,引力波信号曲线并不是很好,所以对于有关内部结构的问题并没有得到解答。但是,对于部分合并之后抛出了多少物质的问题,我们已经初步有了答案。值得骄傲的是,这一答案是由一部参与观测的中国望远镜给出的。

(答案后文马上揭晓)双中子星合并之后是产生了中子星,还是产生了黑洞?现在依然无法确定。因为通过引力波波形的拟合,合并后的质量约为2.74太阳质量。从理论上说,如果一个天体的质量超过3个太阳质量,通常会被认为是黑洞。而中子星的最大允许值并不明确,如果中子星的内部由中子构成,综合考虑状态方程和转速,要想达到2.74个太阳质量不太可能。

然而如果内部由其他的奇异物质(比如夸克)构成的话,在一定条件下,这个质量的天体就有一定可能性,此时这一天体应该被称为“夸克星”。不过,目前所有观测都没能给出中子星和黑洞的临界质量,当然也没能给出夸克星存在的证据。从观测的角度而言,我们观测到的最重的中子星大约是2个太阳质量,最小质量的黑洞质量是5个太阳质量;在这两者之间,一片空白,还未发现任何致密天体的质量属于这个范围。

所以,对于此次双中子星合并产生的2.74个太阳质量的天体,尽管我们还不能确定它到底是什么,但是这一发现填补了黑洞和中子星之间的空白,为日后更多的天文发现掀起了帷幕的一角。图7:目前所探测到的黑洞和中子星质量分布图,可以看到两者之间存在一个很大的空白,此次探测是第一个填进此空白区域的天体。尽管科学家们没有看到中子星内部信息,也不知道最终的合并物是什么,但众多后续电磁观测还是告诉我们了一些之前不太确定的信息,比如甚大望远镜(VLT)的光谱观测确认了重金属(比如我们熟知的金银等元素)的来源,大多数就是在中子星合并的过程当中产生的。

图8:元素起源表。黄色代表了并合中子星所产生的元素,我们常见的金银就是通过此过程产生的。之前科学家曾在短时标伽玛暴中探测到了3起疑似千新星事例,但只不过是在余辉的光变曲线当中看到了几个数据点而已。因为此次由于距离很近,而且伽玛暴余辉很弱,所以完全确认了千新星的存在。另外,通过对于其光变曲线演化的拟合可以推断,大约有百分之一的物质在合并过程中被抛射出去。

除此之外,电磁信号和引力波信号的结合对于天文学理论本身有何促进意义呢?一方面,科学家可以通过这两个信号到达的时间差,来检验爱因斯坦的弱等效原理,这是爱因斯坦广义相对论和其它引力理论的基石,爱因斯坦的理论再一次通过了检验。另外,引力波信号和电磁信号相结合,可以对宇宙学的一些最基本参数做出限制,比如用来描述宇宙膨胀快慢的哈勃常数。

通过引力波的振幅比对可以推断出系统到我们的光度距离,通过电磁波段的光谱分析,我们便可以知道这一系统的红移;在给定两者的情况之下,我们便能够推算出哈勃常数的数值了:相较于来自普朗克卫星的数值:很明显,引力波给出的数值误差很大。但可以预见的是,随着探测精度的提高(除LIGO/VIRGO之外,日本臂长为3公里的KAGRA探测器也开始测试,LIGO-India以及很多的第三代引力波探测器在计划之中)以及探测到的引力波源数目的增多,这个误差很快将得到改进。

文章TAG:引力波发现预测参与

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