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LIGO和Virgo探测到首个来自双中子星并合的引力波!

2017年10月16日,科学家宣布首次直接探测到了壮丽的双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号。这标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件。这次发现打开了等待已久的多信使天文学的新窗口,引力波天文学为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。这次发现是由位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)和位于欧洲的室女座干涉仪(Virgo)引力波探测器,以及其他70个地面及空间望远镜共同完成的。

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图1.艺术家关于两个并合中的中子星的想象。窄束代表着伽马暴,而扭曲的时空网格标志着由并合产生的各向同性的引力波。旋转的物质团块是从并合的双星中抛射出的物质,可能导致了较低能量的电磁信号源。(来源:国家科学基金会/LIGO/索诺马州立大学/A. Simonnet。)

 

中子星是目前已知的最小、最致密的恒星,是大质量恒星在演化的最后阶段经过超新星爆发形成的。双中子星系统可以通过万有引力作用相互吸引和旋进,并发出引力波。在最终并合前的100秒以内发出的引力波信号正好位于激光干涉仪的灵敏频段内,因此有机会被观测到。同时,中子星并合以后还会发出伽马光子,该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后的数天和数星期内,这场壮丽的并合事件仍会继续发出其他频段的光,或者说电磁信号——包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波。

此次LIGO-Virgo的结果发表在物理评论快讯(Physical Review Letters)期刊上,由LIGO-Virgo和其他天文学家合作撰写的系列相关论文也已经被天体物理杂志快讯(Astrophysical JournalLetters)和自然(Nature)期刊接受。 

这个被命名为GW170817的引力波信号于2017年8月17日晚上8时41分(北京时间)被观测到。这次观测由两个相同的LIGO探测器完成,它们一个位于美国华盛顿州的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。由位于意大利比萨附近的Virgo探测器提供的信息可以提升引力波事件的空间定位能力。在发现GW170817时,升级为高新LIGO后的第二轮科学观测正接近尾声,而Virgo处于刚刚开始升级为高新Virgo的第一次运行。

2017年8月17日,LIGO的实时数据分析软件从其中一个LIGO探测器中捕捉到了一个很强的来自太空的引力波信号。美国宇航局的费米空间望远镜的监测器几乎同时观测到了一个伽马暴信号。LIGO-Virgo的分析软件通过比较两信号,得出结论:这不太可能只是一个巧合。另一个自动分析表明另一个LIGO探测器也探测到了一致的引力波信号。LIGO-Virgo团队的快速引力波探测分析,以及费米望远镜的伽马暴探测,启动了世界范围内的望远镜后继观测。

LIGO的数据表明两个距离地球1.3亿光年的天体相互旋进。数据显示这个天体系统的质量没有双黑洞大——LIGO-Virgo之前已经探测到过来自双黑洞并合的引力波。相反,这两个相互旋进的天体的质量估计为1.1~1.6倍太阳质量,恰好是中子星的质量范围。中子星直径约20千米,极其致密,一小勺中子星物质的质量可达10亿吨!对于噪音背景的分析显示,这种强度的信号是由一致性随机噪音产生的概率低于每8万年一次。

之前LIGO和Virgo探测到4次来自双黑洞的引力波信号,在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间,然而,在8月17日探测到的这个持续了100秒,并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同。科学家们可以识别这个天体源的质量远比迄今观测到的所有黑洞的质量都要小得多。 

清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组由信息技术研究院曹军威、范锡龙和计算机系都志辉、郭翔宇(已经研究生毕业)组成,自2009年成为LIGO科学合作组织正式成员,参与了迄今为止的所有引力波发现并作出贡献。工作组近两年来在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面开展了算法设计、性能优化与软件开发等方面的工作,主要研究工作包括:1. 构建了“利用已知脉冲星群组性质探测连续引力波”的方法,并利用该方法搜索信号;2. 完善了“贝叶斯多信使天文学框架”,并且用该框架研究引力波—短伽马暴;3. 进一步优化GPU加速在线致密双星并合信号搜寻程序流水线;4. 探索深度学习在引力波实时数据分析中的应用等等。这些工作得到了国家自然科学基金委和清华大学自主科研计划的资助。 

近年来,清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组积极参与引力波国际合作研究,与美国麻省理工学院、加州理工学院、西澳大利亚大学、英国格拉斯哥大学等密切合作,积极参与国际第三代引力波探测器研讨,广泛联络海外华人引力波学者开展人才引进工作,积极组织跨学科、跨领域交流与合作,同时在国内致力于引力波科学知识普及和引力波科学研究推动,取得了良好效果。 

(注:LIGO由美国国家自然科学基金(NSF)资助,加州理工学院和麻省理工学院负责建造和运行,德国(MPG)、英国(STFC)和澳大利亚(ARC)也作出了重要贡献。来自世界各地的1200多名科学家通过LIGO科学合作组织参与具体工作,其中包括GEO合作组织。其他合作伙伴参见:http://ligo.org/partners.php。Virgo合作组织由来自20个不同的欧洲研究团队的280名物理学家和工程师组成:6个来自法国的CNRS、8个来自意大利的INFN、2个来自荷兰的Nikhef、还有各1个分别来自匈牙利、波兰和西班牙。Virgo探测器位于意大利比萨的欧洲引力天文台。)

 

【发布时间:2017-10-17】【浏览次数:103】