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信号分析结果显示脉冲星4%的能量损失是由重力波喷射造成的,的引力波仪器开始了新的观察美高梅开户

5 9月 , 2019  

科学家首次直接探测到脉冲星内部状况

作者:文/虞子期

北京时间6月5日消息,据国外媒体报道,目前,一支国际研究小组成功采用激光干涉重力波天文台探测到来自螃蟹云翳中脉冲星的信号,信号分析结果显示脉冲星4%的能量损失是由重力波喷射造成的。这项期待已久的研究分析具有里程碑意义,这是科学家第一次直接探测到脉冲星内部状况。

根据科学最新报告显示,在LIGO项目第三个观测期开始的两周后,科学家们可能发现了另外两个新黑洞合并的引力波特征,虽然科学家们尚未发布出“引力波源头”初始位置的任何细节,但引力波传感器检测到了不同的两个事件,并表明它们是两个黑洞的碰撞。两颗中子星的碰撞,又或是混合碰撞,它们都会产生相应的引力波和光线特征,这个被称为Q3的观测期将还需要持续一年的时间。

脉冲星是快速旋转的中子星,螃蟹云翳距离地球6500光年,位于金牛星座,形成于1054年的一次壮观超新星爆炸。每年有3个星期的时间在白天中可观测它的存在,同时在夜晚会暂时比满月更明亮一些。中国古代书籍中曾提及螃蟹云翳作为“寄宿恒星(guest
star)”。目前,在螃蟹云翳中心位置残留着以难以置信速度旋转的中子星,每当它旋转一周时,会释放两道窄射电波射向地球。这种像灯塔似的释放射电脉冲的中子星也被命名为“脉冲星”。

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英国格拉斯哥大学格雷厄姆:沃安负责此项研究,他与LIGO汉福德天文台的迈克尔:兰德瑞通过LIGO观测数据认真分析了螃蟹云翳中的脉冲星,沃安说,“这颗脉冲星以每秒30次速度快速旋转,然而它的旋转速率比许多脉冲星都降低了许多,由此显示它以非常大的速度辐射释放能量。”

黑洞合并引力波的发现过程

仅10公里半径的脉冲星却比太阳的质量更大,差不多这个球形结构都是由中子构成。重力波在空间和时空结构中产生波动,这是爱因斯坦广义相对论的一个重要推论。重力波喷射是螃蟹云翳中脉冲星能量损失的物理机制假想之一,它的出现伴随着脉冲星旋转速度逐渐减缓。迈克尔:兰德瑞说,“我们的研究分析结果显示不超过4%的脉冲星能量损失是由于重力波辐射造成的,其他的能量损失是由于其他物理机制造成的,比如:脉冲星快速旋转磁场和进入该云翳的高速率粒子喷射共同作用形成的电磁辐射。”

根据科学记录显示,在4月8日,科学家们是第一次新的检测到。在时间过去一周之后,三个“超灵敏”的引力波仪器开始了新的观察。这一次观测也标志着三个不同的探测器设施,第一次进行共同合作观察,它们是两个激光干涉仪引力波天文台前哨(位于华盛顿州和路易斯安那州)和处女座探测器。科学家们能够在仙后座(Cassiopeia)附近找到信号起源的天空,它的距离大约是50亿光年。等这个信号得到确认,该团队便能计算出该事件碰撞中所涉及到的质量。

LIGO科学家使用3个LIGO干涉计的观测数据监控了这颗脉冲星从2005年11月至2006年8月的活动变化,LIGO干涉计是简单、高敏感探测器,他们对比了LIGO和乔德雷尔:班克天文台发布的脉冲星旋转速率,从中寻找到同步重力波信号。

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科学家称这项研究非常重要,它提供了脉冲星和其结构的信息。他们指出,如果一个完全平滑的脉冲星旋转时是不会产生重力波的,LIGO之所以探测到螃蟹云翳中的脉冲星产生重力波,是由于该脉冲星外形残缺几米,并不是十分的光滑球体形状。通常这种残缺现象出现在年轻的脉冲星上,比如:螃蟹云翳中的脉冲星,其外壳仍是半固体状态;或者是具有巨大磁场的脉冲星。

时空中的涟漪从源头向外传播

宾夕法尼亚州物理学家本:欧文称,LIGO让我们更深了解到脉冲星表面之下实质性状态,天文学家看到螃蟹脉冲星内部大量的电磁波,但是脉冲星非常密集,甚至X射线不能抵达其内部,仅能到达脉冲星表面。但是重力波可以抵达脉冲星内部,这是科学家首次直接观测脉冲星内部。

当某个对象本身越大,那么它可以使得时空扭曲的程度便越深。用我们生活中的一些客观现象也可以举例说明,例如:地球可以像蹦床上的保龄球一样,去扭转它周围的时空。引力波的存在,就像是时空之中的涟漪,会从它的源头向外传播开来。

科学家们认为,两个及其密级的物体以二元对的方式“互绕轨道”的时候,便会产生足够强大的引力波,比如两个黑洞/两个中子星/一个黑洞和一颗中子星这几种情况。正是因为这两个物体之间发生了相互作用,所以才导致了时空的旋转,然后便导致了涟漪的产生(理论上可以用强大仪器进行测量)。

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关于引力波的研究,直到20世纪,科学家们才发现了引力波存在的间接证据,即通过观察这些波的影响而得出该结论。我们需要知道,引力波和重力波是有所不同的,因为重力波的形成是行星大气中所形成的涟漪,因风吹过地球表面地质特征而产生。

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LIGO团队首次直接探测引力波

LIGO(激光干涉仪引力波天文台)于2016年宣布第一次直接探测到引力波,这一发现让科学家和公众都感到兴奋不已,同年6月,该团队第二次检测到引力波信号。虽然LIGO所探测到的黑洞质量都不到太阳的50倍,但已经远远超出了探测到的最大黑洞。

在银河系的中心,有一个超大质量的黑洞,它的质量大约是太阳质量的400万倍。科学家认为那些中等质量的黑洞比更大的黑洞更具有挑战性。通过更高的质量信息可以得出,那些二元黑洞其实是由特定环境形成的。比如,它的金属度和太阳的金属度是有所不同的。

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引力波证明了宇宙某些元素的来源

当科学家们发现来自同一宇宙时间的光和引力波,两个超级恒星撞击被称为中子星的合并,这是有史以来的第一次。并且提供了第一个准确的证据,证明了宇宙中大部分金和铂等其他元素,大部分都来源于中子星粉碎。

中子星,是宇宙中最奇特的物体之一,是在超新星爆炸中死亡的大质量恒星残骸。引力波则是由大质量宇宙物体加速所产生的时空结构中的涟漪,这些涟漪就如它的名字一般,总是在不停的移动,并且移动的速度达到光速。同时,它们还具有极强的穿透力,并不会像我们日常的光一样,会被分散或者是吸收。

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引力波和广义相对论有何关联

爱因斯坦的广义相对论表明,除了其他特殊事项之外,太空中的质量造成了时空的几何形状扭曲。同时,移动物体发射了重力辐射波,并且将这些能量带入了太空之中。在基本力之中,重力是相对最弱小的,引力波的影响也比较弱。波浪在通过时会挤压并拉伸这个空间,但其效果较亚原子而言却是很小的。通过二元脉冲星间接观察引力波的影响,当它们绕轨道运行的时候,会打乱周围的时空,然后以引力波的形式释放自己的能量。正是这些能量损失才导致了中子星的轨道衰变,科学家们可以从地球上检测到轨道速度的降低。

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引力波的工作原理及如何检测

科学家们对于引力波的检测并不是一蹴而就的,尤其是关于它的某些数据检测,至少都需要安装两个位置的检测器,并且它们之间的位置需要广泛分离。因为微震/声学噪声和激光波动等区域现象,是可能对引起模拟引力波事件造成干扰的,但它们要同时发生在两个远距离地点的可能性几乎是没有的。LIGO天文台的设置地点相聚近2000英里,可以容纳4公里干涉仪臂的平坦度和尺寸。

科学家们通过激光束发现了引力波所引起的物理扭曲,探测器由真空管组成,并排成了L形状,长达4公里。这些装置并不需要暴露在天空中,同时还可以在混泥土的保护层中完全屏蔽,因为引力波可以不受阻碍的穿透地球。在L的定点以及每个臂的末端,悬挂测试质量来自导线,而且质量块也都具有镜面,正是这些镜子构成了引力波的传感器,这两个相隔数千英里的设施,便可消除结果中的那些不确定性。

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利文斯顿顶点区,可以看到大型闸阀到腔室的任一侧。来自内部的HAM是一个真空室,它可以固定的进行光学系统的输入和输出,并且会将激光注入主LIGO干涉仪,从而进一步接受来自干涉仪的输出光。35
W增强型LIGO激光器,为Advanced
LIGO干涉仪提供频率和强度稳定的光。那些移动的质量会导致引力辐射波的产生,拉伸,甚至是挤压时空。当它们通过LIGO的L形探测器时,它们将减小L的一个臂中的测试质量之间的距离,而在另一个臂中增加它。

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