微重力基础物理

NASA费米望远镜确定引力波源

时间:2016-05-11  来源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

NASA网站2016年4月19日报道,在2015年9月14日,能量波经过十多亿年的漫长旅行穿越时空,缓缓抵达地球。位于华盛顿汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台(LIGO)设备捕捉到两个黑洞合并时产生的干扰。这一事件标志着人类首次探测到引力波,为了解宇宙运行方式开启了新的科学窗口。
约半秒后,NASA费米伽马射线太空望远镜的伽马射线爆发监测系统(GBM)突然监测到高能光线出现短暂而微弱的爆发,正与天空同一部位的现象相一致。对该爆发进行分析后发现,出现这种偶然巧合的几率仅为0.2%。黑洞合并时产生伽马射线是一项具有里程碑意义的重大发现,因为人们原本认为黑洞的合并是“纯粹的”,不产生任何类型的光线。
“这一惊奇的发现极有可能就是真的,但在我们开始重新编写教科书之前,还需要观察更多黑洞合并产生的引力波所导致的爆发现象,”Valerie Connaughton说。Valerie Connaughton是阿拉巴马州亨茨维尔国家太空、科学和技术中心GBM小组成员,也是天体物理期刊一篇关于当前所讨论爆发现象的文章主笔人。
探测引力波源的光线有助于加深对该事件的了解。费米GBM系统观测的是整个不受地球遮蔽的天空,对能量在80亿到4000万电子伏(eV)之间的X射线和伽马射线较为敏感。相比而言,可见光能量范围约为2到3eV。
短时伽马暴持续时间不超过两秒,GBM系统因其宽能区和大视场而成为探测短时伽马暴(GRB)的首要仪器。目前普遍认为当绕轨道运行的致密天体(如中子星和黑洞)向内旋转并相撞时,即产生短时伽马暴。这些体系也有可能是引力波的主要波源。
“只要有一次共同事件,伽马射线和引力波就可以明确地告诉我们是什么造成了短时伽马暴”,马萨诸塞州坎布里奇的史密森天体物理中心博士后研究员、LIGO科学合作组成员Lindy Blackburn说。“两种观测现象之间存在着非常惊人的协同效应,其中,伽马射线可详细反映来源处的能量和局部环境,而引力波则为探测该事件的动态情况提供了独特视角”。Lindy Blackburn将于周二赴盐湖城参加美国物理协会会议,受邀发表演讲,探讨爆发现象以及费米和LIGO如何协同工作。
目前,引力波天文台观测到的视野相对模糊。但随着更多设备投入运行,这点会得到及时改善。但是对于9月份的事件(之后被命名为GW150914),LIGO科学家对其来源的追踪仅限于天空的一个弧度,跨度范围约600平方度,相当于美国在地球上占据的角度面积。
“搜寻迅速而微弱的短时伽马暴无异于大海里捞针,但我们仪器就是针对这一点而设计的,”亨茨维尔阿拉巴马大学GBM小组成员Eric Burns说。“借助GBM系统探测,可减少LIGO观测区域并极大地缩小搜寻范围”。
LIGO探测到引力波后不到半秒,GBM系统就发现了高能X射线的微弱脉冲,仅仅持续了一秒左右。但位置无法精确的确定。幸运的是,根据费米当时的观测,爆发所在的可能位置有一大片被地球遮挡,这样科学家可以进一步缩小爆发所在位置的范围。
根据GBM小组的计算,在距离合并黑洞如此邻近的地方发生随机波动的几率不足0.2%。假设各事件之间存在关联,GBM系统的定位以及费米观测到的地球视图相结合后,可将LIGO搜寻区域减少三分之二左右,即减少到200平方度。如果爆发位置适于GBM探测器探测,或亮度确保费米大视场望远镜能够看到,那就可能得到更大改善。
LIGO事件是因两个相对较大的黑洞合并而引起的,这两个黑洞分别约为太阳质量的30倍。双黑洞系统可能不是普通的系统,目前关于该系统的性质和起源仍存在着许多疑问。
因为光的产生需要有围绕轨道的气体,因此可推测,黑洞合并可能不会放射出明显的X射线或伽马射线信号。理论家认为双黑洞周围的气体早在其最终冲入之前就被吹走了。因此,一些天文学家认为,GBM爆发极有可能只是一种巧合,跟GW150914无关。也有一些天文学家作出了另外的假定,即合并的黑洞可能会放射出可见的伽马射线。但黑洞碰撞时到底发生了什么,仍有待进一步确定。
百年前阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中预言存在引力波,因而科学家们50年来一直在尝试着探测到它们。爱因斯坦将这些引力波描述为庞大的加速度天体(如围绕彼此运行的黑洞)所导致的时空结构的扭曲波动。科学家热衷于观察和描绘这些引力波,以便更多地了解其产生源和重力本身。
NASA费米伽马射线天空望远镜结合了天体物理学和粒子物理学,由NASA和美国能源部共同开发,并得到法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国各学术机构和合作伙伴的大力协助。

 

该图像摄于2008年5月,也就是准备发射费米伽马射线太空望远镜之时。图像所示为伽马射线爆发监测系统(GBM)的探测器。GBM系统是一个由14个晶体探测器组成的阵列。

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