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双中子星并合的信息传来,中国科学家立刻调动相关设备参与观测
南极巡天望远镜瞄准引力波传来的天区
发布时间:2017-11-13


  今年8月17日,美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO) 和意大利处女座引力波干涉仪 (VIRGO) 共同探测到的引力波事件GW170817,是人类首次直接探测到的双中子星并合产生的引力波事件。

  在引力波并合信号发生后1.7秒,美国宇航局的费米伽玛射线卫星和欧洲的INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽玛暴,被命名为GRB170817A。费米卫星对该伽玛暴的触发时间标定为世界标准时间当天的12时41分06.47秒 (北京时间当天20时41分)。这是人类首次将电磁波信号与引力波信号毫无疑义地联系在了一起。

  引力波和电磁信号的同时探测,可以揭示宇宙超铁元素的起源、高精度测量引力波的速度以及检验爱因斯坦等效原理。特别值得一提的是,宇宙中比铁更重的元素的起源是21世纪宇宙物理学领域11个重大科学问题之一。

  这标志着人类正式开启包括引力波、中微子、电磁波、宇宙线等多种手段联合探索宇宙的崭新时代。在这一里程碑事件中,也出现了中国科学家的身影。

  在太空中,今年刚发射升空的硬X射线调制望远镜卫星及时跟进观测;在南极冰穹A,我国南极巡天望远镜AST3-2也对GW170817开展了密集观测,并获得一大批数据。在这段兴奋、紧张而精彩的过程背后,是我国在空间科学领域提前布局的多年努力———观测一分钟,科研十年功。

  第一时间加入全球观测行列

  “有个伽玛射线暴事件,听说有引力波观测! 赶紧准备光学观测!”北京时间8月18日8时,中科院紫金山天文台研究生孙天瑞接到了该台“高能时域天文团组”首席研究员吴雪峰的电话。孙天瑞和博士生胡镭马上开始根据伽玛射线暴消息网络的 GRB170817A伽玛波段观测结果,准备观测计划和调整南极巡天望远镜。

  位于南极冰穹A 的南极天文台,是地面上最佳的天文观测站址之一。那里一年99%是晴天,冬季有135个左右连续黑夜,没有阳光、尘埃、水气等干扰。可那里极限温度低于-83℃,而且在高海拔下只有0.5个大气压,空气极其稀薄。所以南极的天文台大部分仪器只能选择无人值守,少量数据由卫星或电缆传回,剩余数据留在本地存储设备上。

  中国早在2007年就开始在南极建立天文自动观测站,如今已有多台望远镜和设备。胡镭要操控的是2015年新投入使用的南极巡天望远镜AST3-2。

  在发现引力波后,LIGO与全球多家天文机构签订合作协议,一旦发现引力波,就共享相关信息,第一时间共同观测。所以,GW170817一被测到,全球就有超过50台天文设备,立刻开展精细观测。作为LIGO的合作团队之一,AST3团队也立刻行动起来。

  巡天望远镜几乎贴着地面观测

  11时,王力帆教授从LIGO合作方获得了精度很高的坐标:赤纬–23度22分53.350秒,赤经-23小时22分53.35秒。

  冰穹A的地理纬度是-80度22分,用AST3观测GW170817,需要把望远镜指向和地面夹角只有20多度的方向———AST3在历年观测中从来没有指向过这么低的位置。要知道,对于巡天望远镜而言,理想的观测角度与地面夹角一般不小于60°,再怎样也不会低于40°。然而,GW170817如此之特殊,AST3团队在得到坐标位置后,本来非常谨慎的运行团队几乎在没有任何异议的情况下,立刻停止了所有其它的观测计划,对GW170817开始观测。

  他们立刻联系负责望远镜建造的中科院国家天文台南京天文光学技术研究所的专家。一个多小时之后,天光所传来消息,他们已经修改软件数据,撤销了望远镜的角度保护,AST3-2可以尝试低角度观测。

  “不得不说,这台望远镜的机械性能真是好!”胡镭说,AST3-2刚坚持完成了整个极夜长达四个多月的观测,又碰到如此艰巨的任务,AST3可是全球首个在南极运行的全遥控望远镜,“我们真怕它失控或卡在赤纬较低的方向,因为这样到南极夏天,就不可避免地会被太阳直射,损坏设备!”

  再晚几天,这次可能就错过了

  8月18日冰穹A刚刚结束漫长的极夜。就在数天前,AST3团队刚得知望远镜旁的太阳能板已捕捉到极夜后的第一缕阳光,这意味着南极最佳的观测时间段实际上已经过去。

  尽管有种种不利条件,团队仍然认为这值得一试。北京时间8月18日 21时,繁星再一次密布于冰穹A的上空,达到了观测条件,胡镭等同学立即开始了观测。从南极传回的图像中,大家清晰看到了宿主星系NGC4993!

  得益于AST3-2稳定的主轴和优秀的机械结构设计,在接下来约两个半小时的窗口期内,望远镜成功地对这片天区进行了连续不间断的观测,共采集了21张长曝光图像,正是这段时间的数据,让中国天文学家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,他们的观测一直持续到了8月28日,尽管后续并没有再观测到相应数据,但这也同样给出了许多观测指标的上限。

  “关”掉“路灯”找出“萤火虫”的光

  与观测同步进行的,还有数据的分析和处理。由于南极独特的地理位置,这些图像数据需要依靠速度缓慢的铱星卫星进行传输,传输速度只有每秒几K字节,与现代人们熟悉的以兆、吉为单位的传输速率,有着几十万倍的差距。胡镭说,有时候发送一条指令,往往要等好几分钟才能看到回应。

  为了节省宝贵的时间和昂贵的通讯费用,科学家必须远程对存放在南极的大量数据及时分析,然后将有效的数据传回进一步处理。事实上,尽管拍摄到了宿主星系,却很难直接从单次曝光的图像中,判断出是否有来自光学对应体的信号,因此科学家使用了图像相减的方式来进行信号探测。这就如同我们难以发现一只停在路灯旁的萤火虫一样,只有当我们关掉这盏灯时,萤火虫才能被看到。

  经过几天的数据采集,以及对缓慢的数据传输的等待,胡镭、孙天瑞在国家天文台马斌博士和南京大学梁恩思博士的协助下,调试好了数据分析程序,成功关掉了这盏“灯”,8月18日观测图像中的光学信号也终于浮出了水面———信号所在的天球坐标与LIGO合作组给出的双中子星并合的位置完全吻合,其偏差小于一个角秒。自此,可以确认,AST3已经成功探测到来自 GW170817引力波事件的光学对应体!

  当胡镭在微信里第一次告诉大家,AST3已经探测到GW170817的光学信号时,整个AST3团队都非常激动。AST3望远镜登上天文观测研究的大舞台,期待中的这一天终于来到了。

  为认识双中子星并合提供重要信息

  随着数据进一步进行测光处理,AST3团队很快发现望远镜在引力波信号之后的1天左右窗口期内 (即18日的观测) 观测到,目标的 i 波段星等由17.23星等降到了17.72星等。由于目标源的快速变暗,8月18日之后的图像中没有再探测到信号,但也提供了两个可靠的测光上限。

  紧接着,紫金山天文台吴雪峰研究员与南京大学戴子高教授、博士生刘良端和肖笛博士开始尝试利用千新星的半解析模型拟合了AST3的观测数据。

  通过计算,团队发现这次双中子星并合产生约1%太阳质量并以大约光速的30%快速运动的抛射物,也可以说是抛出超过3000个地球质量的富含中子的物质,这些物质通过快中子俘获过程,核合成重元素,部分形成比铁还重的超重元素。AST3的观测数据与国际其它望远镜探测得到的数据一起,对我们认识双中子星并合的物理过程提供了非常重要的信息。

  中国硬X射线调制望远镜卫星连夜进入观测状态

  天文盛宴,“慧眼”登场

  这次双中子星的并合事件,使人类不但听到了天体结合发出的美妙歌声,而且也看到了它们相爱迸发的烟花! 中国科学院高能物理研究所“慧眼”卫星首席科学家、著名天体物理学家张双南说,这一刻必将载入史册。

  在这场全球天文界的盛宴中,我国的“慧眼”卫星———硬X射线调制望远镜卫星也华丽登场,参与了对GW170817电磁对应体的监测,并严格限制了其高能辐射的性质。报告本次历史性发现的论文在正文部分收入了“慧眼”卫星的观测结果,“慧眼”团队的110名成员也成为论文的共同作者。

  这一科学发现的背后,是“慧眼”团队众多科学家彻夜不眠的辛劳!让我们把时间回溯到今年8月17日那个令人激动的奇妙之夜。

  当天21时28分,“慧眼”科学应用系统工作群中,一条内容为“刚刚 LIGO又触发了一个引力波信号”的群消息让劳累一天的“群友”们瞬间激动起来。随后,更为详尽的信息传来,这是一个疑似双中子星并合的引力波事件,同时可能伴随着一个短伽玛射线暴! 大家的激情被瞬间点燃———这意味着“慧眼”也有机会看到它。

  在经过简单的分析和讨论后,“慧眼”团队首席科学家张双南当即决定,启动后随观测! 此时已过22时,除了值班人员外,不少团队成员正在宿舍或家中,其中一些年轻的父母才刚刚照顾完孩子睡觉。可接到通知后,他们没有任何犹豫,第一时间就赶到办公室,迅速投入到紧张的工作之中。

  22时10分:首席科学家决定启动后随观测,同时启动快速数据处理流程。

  22时20分:协调国家空间科学中心任务运控中心和测控系统,启动应急工作流程。

  23时:观测计划制定组、数据分析组和科学组齐聚高能所报告厅四楼会议室。

  零时:综合考虑引力波的定位范围以及“慧眼”卫星的观测约束,最终确定观测天区和观测方案。

  01时15分:完成观测任务的确认、评估和应急观测计划的制定,并提交国家空间科学中心任务运控中心。

  02时23分:“慧眼”卫星飞经三亚测控站,应急观测计划指令成功上注,开始引力波相应范围天区的后随观测。

  这段列表虽然简短,但其内涵却一点也不简单。从“决定下达”到“指令上注”的四个多小时内,任务环环相扣,其间夹杂了大量的讨论、分析和计算。

  8月18日凌晨3时许,“慧眼”的观测结果终于发布到了伽玛射线暴坐标网络 (GCN) 平台上。经过争分夺秒的彻夜努力,在这场里程碑式的科学大事件中,我国天文学家也有了一席之地!

  作为这次发现的主角,“慧眼”卫星拥有着怎样的能力,可以帮助我们完成对引力波电磁对应体 (伽玛射线暴) 的搜寻?

  首先要说明的是,全天监测伽玛射线暴、捕捉引力波闪并非“慧眼”的唯一科学目标,她还能在1~250keV能量范围实现大视场X射线巡天成像,对黑洞、中子星等高能天体的短时标光变以及能谱进行研究。

  为了实现“慧眼”的主要科学目标,研发团队为她准备了三大“法宝”:高时间分辨、大有效面积以及大视场。高时间分辨有利于对短伽玛射线暴 (此次的引力波闪就是这一类伽玛射线暴) 的光变进行研究;大有效面积使得“慧眼”的高能望远镜成为0.2~5MeV能量范围下最灵敏的伽玛射线暴监测器之一;拥有大视场则意味着能够对出现位置随机的伽玛射线暴进行监测,也才更有可能逮住引力波闪的伽玛射线。正是凭借这些能力,“慧眼”得以同遍布全球的地面和空间望远镜一道,完成此次对GW170817的观测任务。

  从研制到发射升空,“慧眼”卫星历时24年之久,其间有几代科学家的不断完善,最终才打造出这一巡天利器。她不仅缔造了我国空间天文学的发展史,也成功加入到引力波天文学时代的开幕中。我们有理由相信,在“慧眼”团队的努力下,她将见证更加辉煌的未来!(首席记者 许琦敏)

  (中科院高能物理研究所慧眼团队供稿)(本版图片由中科院紫金山天文台提供)
【来源】文汇报