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“看到”引力波、探测暗物质 探秘2017年“跳跃”的基础物理学

日期:2018-01-08 17:57 来源:网络整理

(原标题:“看到”引力波、探测暗物质 探秘2017年“跳跃”的基础物理学)

“看到”引力波、探测暗物质 探秘2017年“跳跃”的基础物理学

 
 
 

见习记者 白杨 北京报道

日前,美国《科学》杂志评选出2017年十大科学突破,其中科学家们观测到“双中子星并合引力波”事件被评为“年度科学突破”。

实际上,今年可以说是物理学领域大丰收的一年。除了引力波,科学家们在中微子探测、暗物质探测等领域也分别取得了重大突破。

中科院的一位研究人员向21世纪经济报道记者表示,现在基础物理学处于理论超前于实验的阶段,即目前阶段实验的困难太大,理论没有足够的实证支持,所以在实验方面有新发现新进展非常有利于物理研究的发展,甚至可以催生很多新理论、新思路。

首次“看到”引力波

2017年,人类共观测到三例引力波事件。最近的一次是在2017年8月17日,激光干涉引力波天文台(LIGO)和处女座引力波天文台(Virgo)共同发现了双中子星并合引力波。

在此之前,2015年9月、2015年12月、2017年1月以及2017年8月,科学家们曾先后四次探测到引力波。其中前三次都是由LIGO单独完成,第四次则是由LIGO的两台干涉仪和Virgo的一台干涉仪从三个地点几乎同时探测到。

而最新的一次发现,是由全世界多个机构的天文学家联合宣布,并且是科学家们第一次发现非双黑洞并合所产生的引力波。又因双中子星并合会产生电磁波,因此,在这次探测过程中,科学家还首次找到了产生引力波信号的源头。

对于同时观测到引力波和电磁信号,业界有个很形象的比喻,即人类终于“耳聪目明”了。美国北卡州立大学研究天体核物理学的朱勇霖告诉记者,之前的引力波信号带动引力场波动,就如同声波带动空气振动传播;而电磁信号能够将可见光信号传播到人眼。

8月17日,与第四例引力波事件仅仅相隔3天,LIGO和Virgo先后检测到一个新的引力波信号GW170817。与此同时,正在地球轨道上运行的美国宇航局“费米”伽马射线望远镜也监测到一个剧烈的伽马射线爆发事件,这也使得科学家们将此次引力波出现的区域框定在一个较小的范围内。

随后,全球约70个地面及空间望远镜从伽马射线、X光、紫外、光学、红外和射电等波段开展后续观测,并确认引力波信号来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系。

不仅如此,科学家们通过引力波光学信号的观测和光谱分析确定,双中子星合并的过程还是宇宙中金、铂、铀等重元素的主要来源。

朱勇霖表示,这次探测到的电磁信号,极有可能是近些年天体核物理学家关注的“千新星”(kilonova),这种星体形成于双中子星合并的过程。而这样的电磁信号(特定波长的电磁信号),只有某些重金属元素的衰变才能发出。这也意味着双中子星合并的过程中有这些重金属元素的产生。

今年10月,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予三位来自LIGO/VIRGO合作组的科学家,以奖励他们在引力波探测方面取得的成绩。1916年,爱因斯坦在建立广义相对论后预言了引力波的存在,时隔一百年之后,人类才真正的探测到引力波,这将开启天体物理的新时代。

朱勇霖认为,随着LIGO探测精度的不断提高,引力波探测将成为“常规”的观测事件。人类对于宇宙中的其他天体,尤其是比较远或者难以用电磁信号观测的天体的认识将会被更新,很多物理理论可能需要修正。

中科院高能所的研究人员张明则告诉记者,升级后的LIGO将在明年第三次运行,相信到时候会有更多的引力波事件被观测到,配合以电磁波、宇宙线、中微子等多种观测手段协同观测,多信使天文学时代即将到来。

获得今年诺贝尔物理学奖的基普·索恩(Kip S. Thorne)也表示,明年LIGO可能会发现黑洞-中子星并和。同时,未来15-20年中,会有4种不同引力波波段的观测窗口被打开。包括观测宇宙最初产生的,被暴涨放大的引力波。但将来还需要5-10年时间剥离噪音,人们才能看到更清晰的引力波。

“悟空”号与暗物质

11月30日,《自然》杂志公布了中国暗物质探测卫星“悟空”号的首批探测成果。中国科学家利用“悟空”号卫星获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱(能谱是指电子数目随能量的变化情况),同时,“悟空”号首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在大约1TeV(1TeV=1万亿电子伏特)处的拐折。

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