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【中国科学报】探测引力波事件的“中国身影”
2017-11-07|文章来源:高雅丽 |【
 

   

  ①2013年11月,AST3-2在中国最北端漠河进行总体测试。

   

  ②高能望远镜团队部分成员在载荷产品交付前合影。

   

  ③慧眼望远镜实物照片

  ■本报见习记者 高雅丽 

  10月16日22时,天文学界“搞了一件大事情”,美国国家科学基金会召开新闻发布会宣布,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲室女座(Virgo)引力波探测器于8月17日首次发现双中子星并合产生的引力波事件GW170817。

  在这一场天文学的“革命”中,中国没有缺席。中科院的科研人员在最初探测之后的几分钟内,就开始了忙碌的观测,“中国身影”活跃其中。

  “慧眼”记录下历史性一刻 

  直到现在,中科院高能物理研究所“慧眼”望远镜伽马暴与引力波电磁对应体项目组负责人熊少林还清晰地记得收到探测到引力波事件消息的那一刻。

  “8月17日夜晚原本是很普通的一个晚上,LIGO当晚10点有一个国际视频会议,但是9点多收到了发现双中子星并合的消息。”熊少林回忆道,“开始我以为这只是测试,没想到是真的,简直不敢相信自己的眼睛。”

  GW170817,让这个平凡的夜晚载入了史册。

  “慧眼”高能望远镜主任设计师、中科院高能所刘聪展对《中国科学报》记者说:“当晚收到消息后,大家都很兴奋,‘慧眼’首席科学家张双南老师立马从家里赶到会议室,晚上12点左右,大家开始收集分析数据,一直忙到凌晨两三点。”

  引力波事件发生时,全世界仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,“慧眼”望远镜就是其中之一。

  熊少林解释道:“不同波段的望远镜观测范围不一样,伽马射线与其他波段相比非常特殊,只有在引力波爆发的一瞬间才产生。如果要看引力波电磁对应体的高能辐射,我们称之为引力波闪,必须在引力波爆发前后几十秒进行监测。这次引力波事件发生在南天,北半球的很多地面望远镜看不到,但慧眼望远镜运行在太空中,不受地理位置的局限。”

  由于“慧眼”在0.2~5百万电子伏特(MeV)能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好,因此对GRB170817A在MeV能区的的探测能力最强,对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限,“这也是‘慧眼’重要的原因。”

  刘聪展说:“本次引力波闪能谱比较软,收到消息后张双南首席立即决定调整了卫星姿态,对LIGO给出的引力波可能发生区域进行扫描观测,但是受限于发生引力波的区域与太阳相距较近,‘慧眼’未能扫描到后来证实的引力波对应体所在的天区。但是即便没有很明确地看到引力波闪高能段的显著信号,我们的观测数据依然对理论模型给出了重要的限制。”

  “此次我们反应非常快,在70多个团队中,中国慧眼望远镜是第七个报告成果的,在本次引力波事件最重要的发现论文的正文部分有‘慧眼’的观测结果。”熊少林说。此外,“慧眼”的详细分析结果以独立论文的形式已于10月16日同步发表在《中国科学:物理学力学天文学》杂志英文版的网页版。

  熊少林将此称之为“历史性的一刻”。他说:“这是第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波,意味着不仅能‘看到’它的倩影,还能‘听到’它的声音,打个比方,这有点像2D电影升级为3D电影,增加了一个维度,产生了1+1>2的效果,天体物理的研究也进入了一个新的纪元。”

  监测到引力波爆发天区时,“慧眼”试运行仅2个月。项目组通过对“慧眼”辅助探测器的创新性使用,获得了额外的探测伽马暴及引力波电磁对应体的能力,使其成为国际上正在运行的最重要的伽马射线暴监测设备之一,大大扩展了望远镜的科学产出。

  刘聪展表示,“慧眼”号监测引力波电磁对应体将变成常规工作,“只要LIGO有发现,我们一定会进行监测。”

  “冒着风险调整望远镜角度” 

  在LIGO发现引力波信号后,全球有超过50 台天文设备对GW170817 展开了精细观测,南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在南极运行的AST3-2也对GW170817开展了密集观测。

  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说:“AST3 望远镜位于南极大陆的最高点冰穹A,其地理纬度为-80度22分。GW170817虽然位于南天区,但在天球上的赤纬为-23度22分53.350秒,对AST3来说却是非常靠地平线了。我们需要把望远镜指向距离地面只有二十几度的方向,AST3在历年观测中从来没有指向过这么低的位置。”

  此时冰穹A漫长的极夜刚刚结束,这意味着南极最佳的观测时间段实际上已经过去。尽管在这样极端的条件下,王力帆仍然认为这值得一试。

  中科院南京天文光学技术研究所副研究员李晓燕说:“南极巡天望远镜AST3是南极地区口径最大的光学望远镜,是由中国自主研发的,运行时无人值守。出于安全考虑,我们为望远镜做了三限位保护。为了进行观测,我们放开了初级的软件限位保护,承担了一定风险。”

  在通过软件传输指令时,李晓燕感觉“非常紧张”,生怕遇到意想不到的问题。“望远镜装备有世界上最大的单片电荷耦合器件(CCD),非常娇贵。由于安全性各方面考虑,CCD没有快门,一旦望远镜不能回到比较高的安全位置,极昼的时候有可能太阳直射相机,把机器烧坏。”

  但是对于AST3合作团队来说,GW170817是非常重大的科学发现,“非常有必要冒着风险试一试”。王力帆说:“经过前期测试,我们认为出现故障的几率是可控的,因此决定开始观测工作。”

  北京时间8 月18日夜晚9点整,繁星再一次密布于冰穹A的上空,在约两个半小时的窗口期内,望远镜成功地对天区进行了不间断地观测,共采集到 21张长曝光图像。而正是这段时间的数据,让团队最终探测到了第一例来自双中子星合并的光学对应体信号。为了尽可能地记录下对应体亮度随时间的演化,观测一直持续到8 月28日。

  紫金山天文台南极天文中心的研究生胡镭说:“当我在微信里第一次告诉大家已经探测到GW170817的光学信号时,整个团队都非常激动。”

  引力波观测仍将继续 

  1916 年,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。101年过去了,引力波的探测于今年刚刚获得诺贝尔物理学奖,国际对于引力波的研究还将继续,中国的科学家也作好了准备。

  中科院高能物理所的“闪电”计划便是其中之一。熊少林说:“国际上没有专门探测引力波电磁对应体的设备,我们2016年就开始筹划,希望2020年发射上天。随着最近发现了电磁对应体,这项工作更重要也更紧迫了。我们期待尽快立项。”

  刘聪展表示,中科院高能物理所在2016年启动了“阿里原初引力波探测计划”,将在我国西藏阿里地区建设一台北半球首个、世界海拔最高的原初引力波探测望远镜,开展CMB宇宙微波背景辐射观测研究,探测宇宙大爆炸早期产生的原初引力波事件,聆听宇宙的“初啼”。这与LIGO发现的黑洞或中子星并合产生的引力波事件是完全不同的起源,迄今尚未被探测到。如果这个计划能成功探测到原初引力波,将会对认识宇宙起源具有重要的意义。

  王力帆说:“天文学的很多事情,看似偶然,实则必然。这是人类第一次看到引力波,以后一定会有一系列的发现,可以想象全世界的望远镜一定会密切关注。多信使天文学时代已经开启,我们正在计划如何联合其他望远镜协同作战,取得更多的科学发现。”

  《中国科学报》 (2017-11-06 第5版 创新周刊)

 
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