NASA的费米望远镜有望约束引力波源所在位置-搜狐科技

发布时间：2016-05-06 11:00:10

原标题：NASA的费米望远镜有望约束引力波源所在位置-搜狐科技

　　9月14日，已经长途跋涉超过十亿年的带有能量的波轻柔地拨动了地球附近的时空。这个由一对正在并合的黑洞产生的扰动，被激光干涉引力波天文台（LIGO）在华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的科学设施捕捉到。这次事件标志着引力波首次被探测到，并且为宇宙如何运转打开了一扇新的科学之窗。

　　而就在LIGO探测到引力波半秒钟之后，NASA的费米伽马射线空间望远镜上的伽马射线暴监测系统（GBM）在同一片天区捕获了一个短暂微弱的高能伽马射线暴信号。对这次伽马暴的分析显示这两个事件为随机巧合的概率仅为0.2%。黑洞并合产生的伽马射线可能会成为里程碑式的发现，因为两个黑洞原本被预期是“干净地”并合的，即此过程并不产生任何类型的光。

　　这一可视化的图像显示了由两个近乎等质量的黑洞（视频中的黑色球体）在互相绕旋和并合的过程中发出的引力波。黑洞附近黄色的结构表示该区域内强烈的时空弯曲。橙色的波纹代表质量体（黑洞）急速绕转造成的时空扭曲。这样的扭曲向外传播并且逐渐变弱，最终形成了引力波（紫色）。并合的时间尺度由两个黑洞的质量所决定。对于一个包含两个分别约30倍太阳质量的黑洞的系统(就像2015年LIGO所探测到的这个双黑洞系统)，视频起始时刻黑洞绕转的的轨道周期为65毫秒，黑洞以15%于光速的速度运动。时空扭曲向外释放轨道能量并导致双黑洞迅速缩近距离。当两个黑洞彼此靠近的时候，它们并合成为一个单黑洞，进入“铃荡”（ringdown）阶段，最后一部分引力波在此阶段放出。对2015年LIGO所探测到的系统，上述事件（铃荡）在略多于1/4秒的时间内完成。视频中的模拟由NASA的艾姆斯研究中心的昴星团（Pleiades）超级计算机实现。

　　视频来源：NASA/J. Bernard Kelly (戈达德太空飞行中心), Chris Henze (艾姆斯研究中心) and Tim Sandstrom (计算机科学公司（CSC）政府解决方案有限责任公司)。

　　“这是一个诱人的发现，其误报的概率很低，但是在我们可以开始改写教科书之前，我们仍需要看到更多的与黑洞并合的引力波相关联的（伽马射线）暴发。”亚拉巴马州亨茨维尔国家空间科学与技术中心伽马射线暴监测系统（GBM）团队成员，关于此次暴发事件的《天体物理学期刊》在审论文的第一作者瓦莱丽?康诺顿（Valerie Connaughton）如是说。

　　对引力波源发出的光信号的探测势必会使我们对于此次引力波事件有更加深刻的理解。费米望远镜的伽马射线暴监测系统（GBM）可以看到不受地球阻挡的全天区域，且对能量在8000到40000 000（四千万）电子伏特（eV）的X射线和伽马射线灵敏。做一个比较，可见光的能量范围是2到3电子伏特（eV）。

　　

　　这幅图片摄于2008年5月，即费米伽马射线空间望远镜正准备发射时，图上标出了望远镜的伽马射线暴监测系统（GBM）。该监测系统（GBM）是一个由14个晶体探测器组成的阵列。

　　图片来源：NASA/Jim Grossmann

　　凭借它具有的的宽能量范围和大视场，伽马射线暴监测系统（GBM）成为了探测短时伽马射线暴（GRB）的首选设备。短时伽马射线暴持续时间不超过2秒，通常被认为发生在绕致密天体的轨道运动，如双中子星和双黑洞，相互绕旋靠近并最终碰撞的过程中。这些相同的系统同样被认为是引力波的主要产生来源。

　　“仅仅通过一次联合事件，伽马射线和引力波共同告诉我们是什么导致了短时伽马射线暴。”位于马萨诸塞州剑桥的哈佛史密松天体物理中心的博士后研究人员，LIGO科学合作机构的成员林迪?布莱克本（Lindy Blackburn）说，“两项观测结果有着惊人的协同性，其中伽马射线揭示了源的能量和所在区域环境的细节，而引力波则提供了对引发该事件的动力学的独特探测手段。”他将会在周二召开于盐湖城的美国物理学会会议上做关于此次暴发和费米望远镜与LIGO协作情况的受邀报告。

　　目前，引力波天文台掌握的图像相对模糊。这在更多的科学设施启用后将会得到好转，但是对于九月份发生的引力波事件，即以日期命名的GW150914，LIGO的科学家只能追索到跨越600平方度天空的一块弧形区域内，堪与美国在地球上占有的角面积相比了。

　　“寻找短时伽马暴的源位置就如同大海捞针，因为爆发事件可以很快而且很暗(在我们看来)，但是这恰恰是我们的设备设计的目标。”位于亨茨维尔的亚拉巴马大学的伽马射线暴监测系统（GBM）团队成员，埃里克?伯恩斯说，“伽马射线暴监测系统（GBM）的探测结果使我们得以缩小LIGO所确定的区域，从根本上将“大海”变小了。”

　　2015年，费米的伽马射线暴监测系统（GBM）在LIGO探测到黑洞并合产生的引力波的几乎同一时间，发现了正在变暗的X射线闪变。这段视频展示了科学家们在假设暴发事件与引力波事件有关联的前提下，是如何缩小LIGO确定的引力波源所在区域的。在此情况下，LIGO确定的搜寻面积被减小了2/3。在未来的探测中还可能有更大的改进。（视频来源：NASA戈达德太空飞行中心）

　　在LIGO探测到引力波后不到半秒钟，伽马射线暴监测系统（GBM）就捕获了一个微弱的持续约1秒的高能X射线脉冲。这个暴发发生在费米望远镜的下方，与伽马射线暴监测系统（GBM）的探测器成高角度，这种情形限制了它们获得暴发源精确位置的能力。幸运的是，在费米探测到暴发的时候，地球遮挡了暴发可能所在位置的一大片条形区域，使科学家们进一步缩窄了可能的爆发位置。

　　伽马射线暴监测系统（GBM）团队计算结果显示，暴发事件与黑洞并合相邻近为随机涨落的可能性不到0.2%。假设两事件是有关联的，结合GBM的定位结果和费米望远镜看到地球的视图，LIGO搜寻区域减少了2/3，即缩减为200平方度。如果暴发与GBM的探测器角度合适，或者足够明亮以被费米大天区望远镜看到，更卓越的改进都是可能的。

　　LIGO事件由两个相对较大的黑洞并合产生，二者分别约30倍太阳质量。黑洞如此大的双黑洞系统被认为并不常见，而且关于该系统的本质和起源仍然有很多问题存在。

　　黑洞并合曾被认为不会发射明显的X射线或者伽马射线信号，因为这需要做轨道运动的气体产生光线。理论科学家相信，双黑洞系统附近的一切气体都应该在二者最终碰撞前很早就被完全清除掉了。因为这个原因，一些天文学家将这个GBM暴发看成是极有可能的巧合，与GW150914无关。另一部分天文学家则提出了另一种并合中的黑洞也可能产生可观测到的伽马射线发射的情况。要想搞清楚黑洞碰撞究竟发生了什么，还有待进一步的探测。

　　一个世纪以前，阿尔伯特?爱因斯坦在他的广义相对论理论中预言了引力波的存在；50多年以来，科学家们一直以来都尝试探测引力波。爱因斯坦将这样的波描绘成大质量的加速运动的物体，如相互绕转的黑洞，在时空中搅动出的涟漪。科学家们对观测和描绘引力波的特征充满兴趣，他们想更深入地了解产生引力波的源，以及引力本身。

　　NASA的费米伽马射线太空望远镜是一项天体物理学和粒子物理学的合作计划，与美国能源部联合开展，并受到学术机构和法国、德国、意大利、日本、瑞典、美国的合作伙伴的鼎力支持。

　　原文作者：弗朗西斯?雷迪（Francis Reddy）

　　马里兰州，格林贝尔特，NASA戈达德太空飞行中心

　　翻译：Yuk-Ming

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关键词：引力波,费米

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