引力波與宇宙級“盲人摸象”

全球多國科學家近日同步舉行新聞發佈會,宣佈人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波,並同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。
雙中子星併合的藝術想像。
雙中子星併合的藝術想像。
美國東部時間8月17日8時41分,美國“鐳射干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到這個引力波信號。此後2秒,美國費米太空望遠鏡觀測到同一來源發出的伽馬射線暴。

這是人類歷史上第一次使用引力波天文台和電磁波望遠鏡同時觀測到同一個天體物理事件,標誌著以多種觀測方式為特點的“多信使”天文學進入一個新時代。

“幾十年來,我們一直孜孜以求準備探測雙中子星合併的引力波,”美國加州理工學院LIGO資料分析小組負責人艾倫‧溫斯坦教授說,“那天早上,我們所有的夢想成真。”

LIGO項目組在美國華盛頓發佈這一重大發現。中國、德國、英國和法國等國科學家也各自舉行新聞發佈會。相關論文發表在《科學》、《自然》等學術期刊上。

引力波是由黑洞、中子星等碰撞產生的一種時空漣漪,宛如石頭丟進水裏產生的波紋。百年前,愛因斯坦廣義相對論預言了引力波的存在,但直到2015年人類才首次探測到引力波,3名美國科學家因此獲得今年的諾貝爾物理學獎。

在8月17日的事件中,全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、X射線、紫外和射電波等波段開展觀測,確認引力波信號來自距地球約1.3億光年的長蛇座內NGC4993星系。

美國田納西大學天體物理學教授邁克爾‧吉德里告訴新華社記者,多信使天文學結合使用多種探測手段,是引力波天文學的一個“聖杯”,“這樣的探測將在天文學和天體物理的許多領域開啟全新的探索途徑。”

中國紫金山天文台副研究員金志平參與的國際團隊,通過對此次引力波光學信號的觀測和光譜分析,首次提供確鑿證據證實,中子星合併是宇宙中金銀等元素的主要起源。金志平說:“這就是宇宙中的‘巨型黃金製造廠’。”

新關於雙中子星合併產生引力波的發現備受關注。許多科學家評論說,這標誌著“多信使天文學”進入一個新時代。那什麼是多信使天文學?打個比方,這就是宇宙級的“盲人摸象”。

“我們常說天文學研究是‘盲人摸象’,因為宇宙太大了,要瞭解它太難了,一種手段往往只能瞭解一個方面的資訊,”中國科學院國家天文台科學傳播中心主任鄭永春研究員說,“引力波提供了一種與以往觀測方式完全不同的手段,使多信使天文學進入一個新時代。”

從古人單憑肉眼仰望星辰,到伽利略第一個將天文望遠鏡對向星空,人類曾經觀察宇宙的唯一方式就是光線。但這種觀測不僅受到天氣條件的約束,所獲得的資訊也受到可見光載體的限制。

隨著科學的發展,人們逐漸認識到在可見光之外,宇宙中還存在X射線、無線電波等看不見的電磁波。通過探測它們,可以觸摸到宇宙這隻“大象”的另外一些方面。比如黑洞的引力讓光線也無法逃脫,人們無法看見黑洞,但是它會釋放出很強的X射線,讓天文學家得以分析黑洞的若干性質。

“X射線、可見光、無線電波都是電磁波,只是波長不同,所以逐漸發展出‘全波段天文學’,就是用各種波段來研究同一個天文現象,能得到更客觀和更深刻的認識,”鄭永春說,“還是用‘盲人摸象’打比方,用不同方式摸得多了,宇宙的‘形態’也能慢慢呈現出來。”

引力波的發現,又提供了一種全新的“摸象”方式。引力波是與電磁波本質不同的物理現象,雖然百年前愛因斯坦的廣義相對論就預言了引力波的存在,但由於相關信號非常微弱,直到2015年才由美國“鐳射干涉引力波天文台”(LIGO)第一次探測到由雙黑洞合併產生的引力波信號。

本次LIGO項目組宣佈發現的引力波,來自距地球約1.3億光年處的雙中子星合併。與黑洞合併只產生引力波不同的是,中子星合併除了產生引力波外,還發出了大量的電磁波。對於這次事件,全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、X射線、紫外和射電等波段進行了觀測。這是有史以來第一次,人類同時探測到來自同一個天文事件的引力波與電磁波。

這就是讓天文學家感到興奮的“多信使天文學”。引力波和電磁波作為不同的“信使”,可以告訴我們同一個天文事件在不同方面的資訊。美國田納西大學天體物理學教授邁克爾‧吉德里說,“多信使天文學”是天文學家長期追求的“聖杯”,將對相關領域的未來產生巨大影響。

從肉眼觀星到使用望遠鏡,從“全波段天文學”到“多信使天文學”,人類認識宇宙的手段在逐漸豐富,這隻仍有不少謎團的宇宙“大象”,最終會向人類展示出它的真面目◆

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