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多信使天文学的发展:机会总眷顾有准备的人

日期:2018-12-06 13:14:22 来源:互联网 编辑:小狐 阅读人数:364

2017年,美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜(Gamma-ray Space Telescope)在仅仅相隔五周的两次重大突破中起到了关键作用。表面上看是运气好,实际上这是一个多世纪以来研究、分析、准备、发展的结果。

“数千年来,光是我们唯一的宇宙信息,” 美国宇航局戈达德太空飞行中心(位于马里兰州格林贝尔特)的费米项目科学家Julie McEnery说, “最近的发现将光,我们最著名的宇宙信使,与引力波和中微子等粒子起来,新的信使了各种新的信息,而我们刚刚开始探索。”

探索引力波、伽马射线和中微子一个多世纪的科学进步如何帮助实现多信使天文学的时代。

Credits: NASAs Goddard Space Flight Center

根深蒂固

这些发现的起源可以追溯到1887年的前沿研究。那时物理学家Albert Michelson和Edward Morley进行了一项实验来检测以太(aether,假设的光传播的介质)正如他们的实验结果,其他证实了以太并不存在。但这个猜想的否定成为了1905年狭义相对论(special theory of relativity)的灵感之一。他在1915年将其推广为一个完整的引力理论(即广义相对论,general theory of relativity)而这个理论预测了引力波的存在。

一个世纪之后的2015年9月14日,美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台(LIGO)通过检测到两个黑洞的合并而发出的波首次发现这些时空振动。这一百年间出现了源源不断的进步,包括激光、仪器的改进、和越来越强大的计算机和软件。

“正如发明探测器技术需要数十年时间,分析并解释多信使观测的理论和计算框架也是如此,”美国宇航局马歇尔太空飞行中心(位于巴马州亨茨维尔)LIGO研究小组的首席研究员Tyson Littenberg说道,“我们经历了无数次模拟以新想法并改进现有算法,以便充分的准备使我们可以充分利用第一批观测结果,并继续进行基础研究和工作。”

直到2005年,我们甚至无法详细模拟两个黑洞合并的过程。当戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)和德克大学斯维尔分校(University of Texas at Brownsville)的团队分别独立出克服所有先前障碍的计算方法时,这项难题终于有了突破。为了快速检测并描述引力波特征,准确理解引力波信号是这些发展中技术的关键。

2017年8月17日,来自中子星合并的引力波产生的信号被激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到。 中的声音所表示的频率,与波穿过LIGO探测器(分别位于州Hanford,路易斯安那州Livingston)所引起的拉伸和挤压相同。 仅仅1.7秒后,美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜就观测到了短暂的伽马射线爆发。

Credits: NASAs Goddard Space Flight Center, Caltech/MIT/LIGO Lab

“另一个基础上的进展是高度优化的分析管线(analysis pipelines)和信息技术基础架构(IT infrastructure)这些技术上的进步可以将理论模型与数据进行比较,识别信号、计算信号源的位置,并使这些信息与天文学界共享,“美国宇航局博士后计划(Postdoctoral Program )研究员、戈达德LIGO研究小组成员Tito Dal Canton解释道。

天文学家需要尽快了解短暂的现象以便能够在太空和地面上安置各种望远镜。早在1993年,戈达德和马歇尔的科学家就开始一种自动化,用于将伽马射线爆发(gamma-ray bursts, 简称GRBs, 通常持续少于一分钟的远距离强力)的位置实时共享给世界各地的天文学家。由戈达德首席研究员Scott Barthelmy领导的伽玛射线暴坐标定位网(Gamma-ray Coordinates Network)/瞬变天文事件网(Transient Astronomy Network )现在可以散布来自各种太空任务以及地面仪器(如LIGO和IceCube)的警报。

幽灵粒子

多信使天文学的发展:机会总眷顾有准备的人

图例:2017年9月22日,位于南极的冰立方中微子天文台,即此图中冰下的传感器,检测到了一个来自深空的高能中微子。美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜(左中)将光源定位在距离我们大约40亿光年星系中的超大质量黑洞。这是我们在银河系外部发现的第一个高能中微子源。

Credits: NASA/Fermi and Aurore Simonnet, Sonoma State University

中微子(neutrino)的历史要追溯到物理学家Henri Becquerel和他1895年发现的放射现象。1930年,在研究了一种名为β衰变的放射过程后,Wolfang Pauli认为这可能涉及一种新的亚原子粒子,后来被称为中微子。我们现在知道中微子质量很小、几乎以光速运动、有三个变种、是宇宙中最丰富的粒子之一。 但由于它们不易与其他物质相互作用,直到1956年才被发现。

1912年,Victor Hess发现带电粒子,我们现在称之为宇宙射线(cosmic rays)它们不断从各方向进入地球大气层,这说明宇宙空间充满了宇宙射线。当宇宙射线撞击空气分子时,碰撞会产生一些粒子,这些粒子从大气中落下来,其中就有中微子。为了寻找太空中的中微子源,我们将实验置于地下以减少来自宇宙射线的干扰,并且还需要建立非常大的探测器以找出“害羞”的中微子的微弱信号。

多亏了南达科他州金矿深处使用了100,000加仑干洗液的实验,科学家们于1968年首次发现了太阳内核反应产生的中微子。19年后我们才第二次发现宇宙中的中微子源:超新星(Supernova)1987A,一个附近星系中的恒星,仍然是400多年来最亮、最近的超新星,也是第一颗原始恒星在前就被在图像上识别的超新星。理论家们预计,中微子比光更容易逃离崩塌的恒星,因此这将成为新超新星发出的第一个信号。在超新星1987A的可见光到达地球前的几小时,美国和的实验检测到了短暂的中微子爆发,使这颗超新星成为太阳系以外的第一个中微子源。

“如果当时没有运行这些实验,中微子信号就会被忽视,”冰立方(基本上是一个建在南极一立方公里冰里的中微子望远镜)的首席研究员Francis Halzen说道, “技术、改进理论、甚至建造探测器是不够的。我们需要尽可能多的进行观测,以便有机会捕捉短暂、罕见、有趣的科学现象。费米和冰立方都在不断运行,不间断地观测太空。“

高能射线

第三个历史线索要属伽马射线(gamma rays)它们是最高能量的光,由物理学家Paul Villard于1900年发现。当能量足够高的伽马射线与物质相互作用时,它立刻转换成粒子,即电子及其反物质(正电子,positron)这恰巧完美演示了最著名的质能公式:E = mc2。相反,电子和正电子碰撞会产生伽马射线。

美国宇航局于1961年发射的探索者11号(Explorer 11 satellite)第一次探测到太空中的伽马射线。1963年,作为船帆座计划(Project Vela)的一部分,美国空军发射了一系列卫星,其目的是执行禁止在太空或大气层进行试验的国际条约。但是从1967年7月开始,科学家们意识到这些卫星能“看到”与武器试验明显无关的短暂伽马射线活动。

这些是伽马射线暴(Gamma Ray Burst,缩写GRB)是一种全新的现象,意味着某些类型大质量恒星的死亡或中子星的合并。为了进一步探索伽马射线天空,美国宇航局建设了康普顿伽玛射线天文台(Compton Gamma Ray Observatory)在其1991年至2000年运行期间记录了数千个伽马射线暴。自1997年,意大利-荷兰BeppoSAX卫星的重要观测证明了伽马射线暴来自于我们星系之外。康普顿被美国宇航局2004年的尼尔•格雷尔斯雨燕天文台(Neil Gehrels Swift Observatory)和2008年的费米任务继承,继续探索高能天空并跟进LIGO和IceCube的警报。

化学家和微生物学家Louis Pasteur在1854年的一次演讲中指出:“在观测领域,机会总眷顾有准备的人。”在数十载的科学发现和技术创新的支持下,多信使天文学正在为下一次运气做好准备。

美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜是天体物理和粒子物理的合伙结果,与美国能源部合作,并得到了、德国、意大利、瑞典和美国学术机构和合作伙伴的重要贡献。

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本文相关词条概念解析:

中微子

中微子又译作微中子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号ν表示。中微子不带电,自旋为1/2,质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动。中微子个头小,不带电,可自由穿过地球,几乎不与任何物质发生作用,号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它的存在到发现它,用了10多年的时间。1970年11月13日,中微子首先在氢气泡室中被观测。一个中微子撞击氢原子中的一个质子,出现在三条轨道散发出来之点中。2013年11月23日,科学家首次捕捉高能中微子,被称为宇宙"隐身人"。他们利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。

网友评论
  • 草木有本心
    相继马云、马化腾到访西安,会在西安有大动作,西安的前途不可限量
    2018-12-12 06:32 2
  • eifeiyu
    除了先进设备,河内的地理位置也非常有利于观测宇宙
    2018-12-15 13:37 25
  • outess
    说这个就是让大家学会换位思考,每个行业都有各自的艰辛,不只是医学
    2018-12-14 11:42 8
  • flora_gh
    在创建文明旅游城市战略部署上,西安先后进行了“烟头革命”、“厕所革命”等重大举措
    2018-12-12 19:09 29