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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    探測引力波,中國在行動

                    2018-06-02 16:33:00

                      天體劇烈活動引起的時空擾動,好比在浩渺的宇宙中投下一顆石子,歷經10多億年漫漫星系之旅,時空的漣漪最終與地球邂逅。從1916年愛因斯坦的預言,到2015年9月首次確定探測到引力波信號,人類為了直接探測時空的漣漪,苦苦探尋百年。這其中,我國學者對引力波及其相關領域的貢獻是多方面的。

                      對引力波理論與觀測的貢獻

                      1938年,在研究“引力較弱時引力波會在速度的第幾階出現”這個問題時,愛因斯坦與合作者根據計算推斷,直到第四階(即(v/c)4)都不會存在引力波輻射。必須到下一階(即(v/c)5)才會有引力波,但當時,誰也無法證明這一點。

                      1947年,我國物理學家胡寧教授首次證明了這一點。這是中國人在引力波理論方面的第一個重要貢獻。

                      在引力波的觀測方面,由加州理工學院和麻省理工學院共同領導的LIGO小組由世界多個國家的學者共同組成,其中就有中國本土科學家的參與,如清華大學的曹軍威教授、湖北第二師范大學的范錫龍副教授以及多個來自中國的博士后與博士研究生。

                      對伽瑪射線暴的觀測與理論研究

                      我國剛發射升空不久的硬X射線調制望遠鏡(別名“慧眼”,英文名“Insight”)在這次全球聯合測量中作出了重要貢獻?!盎垩邸毙l星的主要觀測波段是硬X射線,其項目提出者和首席科學家分別為李惕碚院士和張雙南研究員?!盎垩邸毙l星是我國第一顆空間天文衛星,主要由中國科技部、中國科學院高能物理研究所和清華大學參與研制,其主要任務是觀測宇宙中的黑洞、中子星與類星體發出的高能量X射線輻射。2017年6月15日,“慧眼”衛星發射升空,并在此后一星期內順利開啟衛星上的低能(1~15千電子伏特)、中能(5~30千電子伏特)與高能(20~250千電子伏特)探測器。如果采用碘化銫探測,“慧眼”衛星甚至可以探測到20萬至100萬電子伏特的高能量,因此同樣可以探測伽瑪射線暴。

                      在雙中子星并合產生的引力波和伽瑪暴相繼到達地球上空的幾分鐘里,升空僅2個月、還處于調試狀態的“慧眼”衛星剛好對準了引力波和伽瑪暴所在的天區,從而可以探測對應的天區是否有足夠高能的伽瑪射線輻射?!盎垩邸毙l星沒有探測到高能的(百萬電子伏特以上)伽瑪射線輻射,從而對這次爆發的高能伽瑪射線輻射性質給出了重要的限制。

                      在這次引力波事件的短伽瑪暴數據分析和研究方面,南京大學張彬彬教授合作團隊、廣西大學梁恩維教授合作團隊、紫金山天文臺范一中合作團隊,都對此進行了深入探討;在理論研究方面,南京大學戴子高教授和紫金山天文臺吳雪峰研究員及其合作團隊,基于這次多波段電磁輻射的觀測數據,對理論模型進行了限制。

                      對“千新星”的理論預測與觀測

                      這次轟動世界的兩顆中子星并合導致的引力波被探測到之后,科學家們對全世界幾十臺可見光望遠鏡探測到的可見光輻射信號進行了仔細分析之后,證實這確實是李立新教授和帕欽斯基教授于1998年首先提出、后經國際其他學者發展、完善并預言的“千新星”。首次得到“千新星”存在的直接證據,使這個引力波成為第一個“看得見”的引力波,是這次震撼世界的發現中幾個最大的亮點之一。

                      而在觀測這顆“千新星”的多臺光學望遠鏡中,就有安裝在南極冰穹A中國昆侖站的南極巡天望遠鏡(AST3)。南極巡天望遠鏡是中國南極天文中心安裝在南極冰穹A(海拔高度為4100米,氣壓為0.57個標準大氣壓)中國昆侖站的第二代天文光學儀器。參與這個項目的主要單位有中國科學院紫金山天文臺、南京天文光學技術研究所、中國科學院國家天文臺、南京大學、清華大學、中國極地研究中心、澳大利亞新南威爾士大學、英澳天文臺和斯威本科技大學等。

                      南極巡天望遠鏡由3臺望遠鏡組成,每臺望遠鏡的鏡頭直徑是68厘米,分別裝備有3種濾光片,可分別觀測不同波段(“顏色”)上的可見光。在3臺望遠鏡中,第2臺(AST3-2)采用了比第一臺更先進的研制方法,因而精度更高、能耗更低、可靠性更高。在2017年南半球的冬季過去之后的檢測中表明,AST3-2經受住了零下75攝氏度的低溫考驗?,F在,AST3-2已經實現了遠程遙控和無人值守,完成了高質量的巡天觀測,發現大量系外行星的候選體。正在研制的第3臺望遠鏡將把觀測范圍拓寬到紅外波段,實現中國在紅外天文學上的重大突破。

                      該望遠鏡項目首席科學家、中國科學院紫金山天文臺的王力帆教授在獲悉此次引力波事件后,馬上召集了包括中國科學院南京天文光學技術研究所、國家天文臺、南京大學和清華大學等多家單位的科學家組成的合作團隊,對該引力波源進行觀測并獨立獲得重要的觀測數據。南京大學戴子高教授小組基于此數據得到的理論分析結果,也與“千新星”的理論預言一致。

                      其實在這次“千新星”的正式發現之前,一個國際團隊就于2013年首次用哈勃太空望遠鏡發現了“千新星”的候選體。此后,眾多天文學家通過分析短伽瑪暴的光學余輝,又找到了幾例“千新星”候選體,其中被廣泛接受的2個候選體是由紫金山天文臺的金志平副研究員、范一中研究員和韋大明研究員帶領的合作團隊發現的。之所以稱它們為候選體,是因為在之前的幾例“千新星”的光學觀測數據較少,并沒有非常明確的證據表明它們就是“千新星”。

                      雖然我國的“慧眼”X射線天文衛星和南極光學巡天望遠鏡成功地對此次引力波事件進行了觀測,但位于北半球的中國與其他國家的可見光望遠鏡和射電望遠鏡的觀測設備卻錯失了發現第一個引力波電磁對應體的機會。

                      導致北半球望遠鏡幾乎全軍覆沒的原因是:這次引力波發生在南半球上空的天區,北半球的幾乎所有設備接收到的電磁波輻射在地球大氣中經過的路程都是望遠鏡上方大氣層厚度的2倍以上,因此都無法有效地接收信號,也無法進行觀測。對其他輻射的理論研究除了預言“千新星”的李立新教授之外,我國還有許多學者在引力波電磁對應體領域作出了不少有分量的理論預言工作。

                      例如,戴子高教授和范一中研究員在2006年分別提出,兩顆中子星并合后可以形成大質量、強磁場、快速自轉的中子星(簡稱“磁星”),并且將此理論預言應用到短伽瑪暴的解釋上。

                      2012年底,張冰教授提出,雙中子星并合后形成的“磁星”自身也可能產生較強的X射線輻射信號。2013年初,紫金山天文臺吳雪峰研究員、南京大學戴子高教授的2個小組分別提出,產生“千新星”的輻射區在“磁星”風暴的加速推動下,與星周介質相互作用形成激波,會產生從X射線、可見光到射電的多波段明亮信號,并有可能產生超高能中微子。

                      同年,俞云偉教授、張冰教授和高鶴副教授提出,該“磁星”能大大提升“千新星”的亮度,他們將這類現象統稱為“并合新星”。

                      以上這些理論成果在國際上都引起了廣泛關注,且有望在未來的多信使天文學時代被觀測和檢驗。

                    本文來自《科學24小時》

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