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新华每日电讯记者喻菲、全晓书、屈婷
自从科学家探测到引力波以来,人类迎来了引力波的新纪元。然而天文学家却面临一个迫切的问题,找到与引力波相对应的电磁波信号。中国6月15日发射的硬X射线望远镜“慧眼”将此作为自己的一项重要使命。
中科院“百人计划”引进人才、青年科学家熊少林说,目前引力波事件的位置定位精度还很差。引力波数据的信号还比较弱,如果在引力波事件发生的同时或者相近时间,在引力波事件相同位置发现电磁信号,就增加了引力波事件的可信度,联合分析引力波信号和电磁信号也会获得更多的关于爆发天体的信息。但目前科学家仅有引力波的数据,还没有探测到电磁信号。
科学家希望通过天文的途径来确认引力波。一些科学家怀疑宇宙中神秘的伽马射线暴很可能是引力波事件的电磁对应体。
引力波与宇宙最壮观的“焰火”
广义相对论,一言以蔽之就是:物质告诉时空如何弯曲,而时空告诉物质如何运动。当物质的分布改变时,时空也会相应变化,就好像在平静的湖面丢下一粒石子,湖面就有一圈波浪向外荡去,时空也会将涟漪向外传开,这就是引力波。
这种波动可能源于一颗曾经光华璀璨的恒星燃烧殆尽时的超新星爆发,也可能是中子星令人眼花缭乱的旋转,抑或是两个黑洞围绕对方越转越近的舞蹈直至碰撞合并。引力波携带着关于波源的信息,因而可以被当作窥探宇宙深处的工具。如果人类能够截获这些信息,就能利用全新的手段研究黑洞、中子星等各种天体。
2016年2月11日,美国LIGO项目科学家宣布,人类首次直接探测到了引力波。这不仅成为黑洞存在的无可置疑的明证,同时也证实了恒星级双黑洞系统的存在。
20世纪60年代,美国为了监测苏联可能进行的秘密核试验,发射了一系列探测伽马光子的卫星。出乎意料的是,这些卫星却发现了来自宇宙空间的伽马射线暴发现象。原本纯粹的军事行动开启了一个天文学研究的新分支。
伽马射线是能量最强的电磁波,在太空中产生的伽马射线无法穿透地球大气层,只能在太空中被探测到。伽马射线暴,简称伽马暴,是来自宇宙空间的伽马射线短时间突然增强的现象,除了创生宇宙的大爆炸以外,伽马暴是整个宇宙中最为剧烈的能量爆发,在数秒内就能够释放出太阳一生100亿年所燃烧的能量。在伽马暴刚刚爆发的时候,其亮度甚至能照亮整个宇宙。
伽马暴的持续时间长可达上千秒光速搜索,短则只有几毫秒。根据持续时间长短,伽马暴可以分为长暴和短暴两种类型。科学家推测,长暴通常会随着超新星爆发而产生,而短暴可能是由中子星与中子星光速搜索,或中子星与黑洞的合并而触发的。
就在2015年9月14日人类历史上首次观测到的引力波事件发生0.4秒之后,美国费米伽马射线望远镜观测到了一起暗弱的伽马暴事件,持续大约1秒钟。尽管两者可能为巧合,但这一伽马暴事件看起来很可能就是由那两个黑洞并合而触发的。
然而,科学家们对此还有争议,并且其它伽马射线暴探测仪器都没有观测到这个伽马暴事件。科学家还需要更多数据才能够理解伽马暴和引力波事件之间的关系。
追踪伽马暴
“慧眼”首席科学家、中科院高能所粒子天体物理中心主任张双南说:“我们现在对伽马暴的很多细节还不清楚。例如,伽马暴在爆炸过程中,能量怎样释放出来?伽马暴的喷流几乎是光速,与整个地球差不多质量的物质几乎以光速在奔跑,伽马暴怎么能够以这么高的速度把这么多物质抛射出来?我们还不知道。”
熊少林说:“目前科学家普遍认为伽马短暴是由两颗致密星并合产生的,包括两颗中子星或者一颗中子星和一个黑洞。恰恰这种双致密星并合也能产生强烈的引力波信号,是LIGO等引力波探测器的主要探测目标,换句话说伽马暴很可能是双致密星并合产生的引力波事件的电磁对应体。”
张双南说:“引力波被探测到之后,使得伽马暴的研究更加重要了。现在引力波已经探测到好几个了,但是没有一个找到对应天体。天体物理研究中,如果只在一个波段观测,往往信息是不完整的,所以我们非常希望看到引力波产生的时候也有X射线、伽马射线或其他波段的信号,因为这些我们已经熟识的电磁波信号能够帮助我们更好的认识引力波。”
他说,寻找引力波电磁对应体是极为重要的,需要各种望远镜对产生引力波的区域搜索。“慧眼”监测伽马暴的有效面积将是费米伽马射线空间望远镜对应仪器有效面积的10倍。预计“慧眼”一年可观测到将近两百个伽马暴,因而在今后若干年引力波电磁对应体的搜寻中,有可能取得一锤定音的效果。
张双南说:“我们已经加入LIGO引力波对应体搜索国际团队,今后LIGO探测到引力波,会在对公众发布之前,就在内部通知我们,这样我们的望远镜也会指向那个天区搜索。”
熊少林说,LIGO目前探测到的引力波事件都是双黑洞的并合,很多科学家认为双黑洞并合不会产生电磁对应体。等到2020年后LIGO灵敏度提高,预期能探测到双中子星并合产生的引力波事件,而双中子星并合很有可能产生伽马暴。
张双南介绍,“慧眼”具有独特的探测能力,是世界上在200keV至3MeV能区有效面积最大的探测器,灵敏度高,将在这个能量范围更好地研究伽马暴。此外,“慧眼”能探测除了地球遮挡之外各个方向发生的伽马暴,视场覆盖全天的四分之三,是探测引力波电磁对应体的重要设备。
据介绍,在规划之初,硬X射线调制望远镜并没有涉及伽马射线暴的问题。但随着研制的开展,研究团队发现利用高能探测器中用于排除背景干扰的碘化铯晶体,可以很好地接收20万～300万电子伏的伽马光子,恰恰可以补充国际上监测伽马射线暴的卫星在这一能段能力的不足。于是,通过改变探测器的光电倍增管的高压,就能让高能探测器摇身一变,成为世界上这一能段面积最大、视场最宽的探测器。科学家预计“慧眼”每年能发现近200个伽马暴,并对它们的能谱做出精密的测量。
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