探测引力波离不了“中国智慧”

2017-10-22 16:39:00

来源:人民网 

  原标题:探测引力波离不了“中国智慧”

  引力波探测告别盲人摸象

  中子星是恒星演化到末期,经由引力坍缩发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一。在其形成过程中,恒星遭受剧烈的压缩,其组成物质中的电子并入质子转化成中子,最终成为直径只有十余公里,质量却有太阳数倍的致密星体。中子星的密度极高,每立方厘米便可重达数十亿吨。中子星的旋转速度极快,由于其磁轴和自转轴并不重合,磁场旋转时所产生的辐射可能会以“一明一灭”的方式传到地球,有如人眨眼,因而被人类所观测到,此时被称做脉冲星。

  双中子星并合过程研究和引力波探测的渊源,早在几十年前就已埋下了种子。1974年,Russell Alan Hulse 和Joseph Hooton Taylor, Jr利用305米口径的阿雷西伯望远镜共同发现了第一对中子星,这是一对在射电波段有周期性脉冲辐射的中子星—脉冲星,观测结果显示,这两颗质量约为1.4太阳质量的脉冲星轨道周期约为3秒,其轨道直径有逐渐收缩的趋势。

  爱因斯坦的广义相对论曾预言,双脉冲星的运动如果释放引力波,将导致脉冲星到达近星点(类比于地球公转的“近日点”)的时机有些微的提前。事实上,由于引力场的存在,其中一颗中子星在经度上平均每年将其近星点提前4度。这一发现被认为是引力波存在的间接证据。1993年,Russell和Joseph因发现这一中子星对,且对它进行了大量后续分析,被授予了诺贝尔物理学奖。

  Russell和Joseph的研究暗示着双中子星对和引力波的相关研究大有可为。此后的若干年里,科学家们在该领域做了不少工作。

  北京大学教授李立新说,这次引力波事件,同时观测到了对应的千新星事件与伽马暴事件,印证了之前一连串的理论、观测研究,同时也预示着,致密星并和事件与引力波、千新星、短暴等事件将会有强烈的相关性,在今后的观测中,可以相互作为指引,使得我们对相关事件的观测更加高效、有针对性,也使得从此以后人类对引力波的探测再也不是“盲人摸象”了。

  不仅整个科学界对这次观测发现兴奋不已,连普通人都开始关注这一消息,因为这其中涉及到一个知识点——“地球上的重金属元素来自哪里?”。

  北京大学教授李立新说,双中子星并合时向外抛射的物质会通过快中子过程形成金、银等重元素。

  这次双中子星并合事件所产生的引力波,以及对中子星并合过程的研究,描绘出这样一幅场景,在双中子星碰撞过程中产生的碎屑离开中心天体向宇宙空间抛撒,这些碎屑质量约为太阳质量的0.001倍到0.1倍,速度则在光速的10%到30%之间。这些碎屑像超新星爆发那样以近球状溅射开来,在溅射过程中部分物质形成了比铁还重的元素。由此科学家推测,对中子星并合过程及其喷射出的碎屑的研究,或许能一定程度解答原子序数大于56(铁)的元素如何生成这一难题。

  在北京时间10月16日晚10时美国举行的探测引力波发布会上,LIGO执行主任大卫·莱兹在说到铂、金、铀等金属可能都是由于宇宙间的这种碰撞产生的时,还特地从兜里掏出一块金表说,这是曾祖父的金表,大约有100多年历史了,这块表中的金元素很有可能大约数十亿年前由两个中子星相撞产生,“确切时间我们不清楚,这真是一次神奇的发现。”

  中国三大观测利器全部参与

  这次引力波重大发现,是由来自全球各地的70个地面及空间望远镜共同完成的。其中,南京紫金山天文台、清华大学LIGO工作组、中国科学院高能物理研究所等国内多个研究机构组成的科研合作团队参与了观测。

  清华大学LIGO工作组负责人曹军威告诉记者,工作组近两年来在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面展开了算法设计、性能优化与软件开发等方面的工作,主要包括构建了“利用已知脉冲星群组性质探测连续引力波”的方法,并利用该方法搜索信号;完善“贝叶斯多信使天文学框架”,并且用该框架研究引力波;进一步优化了GPU加速在线致密双星并合信号搜寻程序流水线;探索深度学习在引力波实施数据分析中的应用等。

  记者了解到,在此次引力波事件的观测中,中国的三大观测“利器”亦参与其中,包括南极巡天望远镜、刚刚发射运行的中科院“慧眼”天文卫星和紫金山天文台。

  我国第一颗空间硬X射线调制望远镜“慧眼”,在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区,对其伽马射线电磁对应体在高能区的辐射性质给出了严格的限制,为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献,相关探测结果发表在此次历史性发现的研究论文中。

  因为这次引力波事件具有极为重要的意义,天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测,形成了一场天文学历史上罕见的全球规模的联合观测。然而,引力波事件发生时仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,中国的“慧眼”望远镜便是其中之一。在这些望远镜中,“慧眼”在0.2到500万电子伏特能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好,因此对伽马射线暴的探测能力最强。

  鉴于“慧眼”观测限制的重要性,中国不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文,在论文的正文部分报告了观测结果。

  “慧眼”望远镜由国家国防科技工业局和中科院联合资助建造,几个月前刚从酒泉卫星发射中心发射升空,参与本次引力波事件观测时,慧眼望远镜刚刚试运行两个月。试运行结束后“慧眼”,将开始正式科学观测,并继续进行相关监测与研究。

  中国南极巡天望远镜这次也获得重要数据。据南极天文研究中心主任、中国科学院紫金山天文台研究员王力帆介绍,北京时间2017年8月18日21:10起,即距离引力波事件发生24小时后,中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第二台望远镜AST3-2,对引力波事件开展了有效的观测,此次观测持续到8月28日,期间获得了大量的重要数据,并探测到此次引力波事件的光学信号。

  这台AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜。其有效通光口径50厘米,是南极现有最大的光学望远镜,并且完全实现了极端环境下的无人值守全自动观测。目前,AST3-2主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文研究。

  明年再次探测将更加灵敏

  “近年来,清华大学LIGO工作组积极参与引力波国际合作研究,与美国麻省理工学院、加利福尼亚理工学院、西澳大利亚大学、英国格拉斯哥大学等密切合作,积极参与国际第三代引力波探测器的研讨。”清华大学LIGO工作组负责人曹军威透露,未来引力波探测器的灵敏度会更高。

  据悉,第三次科学运行将于明年8月启动,在此之前科学家将对引力波的探测设备再做升级,因此灵敏度会更高,大约提高8倍。以前每年只能观测到几次信号,以后可能每个月或者每天都能观测到几次。到时候会产生大量的数据,数据的分析处理是否能够跟上要求会是一个大的挑战。

  清华大学副教授理论、清华大学LIGO科学合作组织工作组成员都志辉告诉记者,实验与计算被公认是科学发现的三种基本方法和手段,但是对于引力波探测这一重大科学发现来说,却是理论、实验与计算的完美与深度融合所取得的成果。没有爱因斯坦的广义相对论,就没有引力波的预言;没有基于LIGO高精密探测仪器设备所开展的实验,就不可能捕捉到引力波经过地球时留下的那极其微弱的痕迹;没有计算技术的支持,就不可能从浩如烟海的噪声中快速分离出引力波信号并对波源等相关物理过程做出科学的解读。因此,理论、实验与计算的深度融合是未来重大科学发现的一种重要模式。

  LIGO的创始人之一维斯在此次引力波探测公布时说,如果爱因斯坦能够利用2016年的技术,他一定能够发明LIGO这样的高精密仪器。这段话也充分说明了新技术对重大科学发现不可替代的作用,新型的实验手段与日益强大的计算能力就是这样的技术。在引力波发现的过程中,计算技术从多个方面都发挥了重要作用。

  为了做出只对引力波而对其他任何影响都不敏感的引力波探测仪,需要考虑上万个因素以确保它们不会对引力波信号造成干扰。比如附近的风声,临海的海风,经过的汽车、飞机,野外的狼嚎,供电系统波动的影响,镜子中原子级别特性的影响,遥远的雷电等等。对可能的干扰都需要在计算技术与相关软件的支持下,把它们一个个去除掉。LIGO对这些已知的干扰控制得如此之好,以至于一个部门经理在控制室隔壁发动了他的哈雷摩托,引力波频道的科学家在自己的屏幕上什么都不会看到,而这离开了计算技术的支持是不可想象的。

  都志辉认为,发现引力波,需要对大量的采样与环境监测数据进行快速处理,需要对引力波波形进行高精度的数值仿真,需要对探测到的波形对应的完整天体物理过程进行全面深入的解读,没有计算技术的支持是不可能实现的。

  “因此,计算技术在重大科学发现中具有不可取代的作用,计算、理论与实验三者的深度融合必将成为未来重大科学发现越来越重要的与普遍的新模式。”

  本报记者 蔡文清 J177 新华社供图

  

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