中子星合并证实了数十年的预测

2018-05-16

由副研究学者David Radice和合作者计算并渲染的两颗中子星的猛烈合并的第一个毫秒的快照揭示了恒星彼此的引力潮汐效应。在接下来的10毫秒内,它们会合并成一个快速旋转的大量中子星,然后陷入由瞬态磁盘包围的黑洞中。图片由研究人员提供

天文学家通过先进的LIGO和高级处女座探测器检测到的引力波观测二元中子星合并。 / em

8月17日,LIGO自2015年9月开始运行以来,激光干涉重力波观测站(LIGO)在时空中检测到第五个时空大扰动指纹。与反映两个黑洞之间碰撞的前四组涟漪不同,形状这些时空扭曲表明两颗中子星之间发生碰撞。

虽然黑洞碰撞几乎不产生除引力波以外的其他特征,但中子星的碰撞可以 - 而且是 - 在电磁波谱中上下观察。 “当中子星碰撞时,所有地狱都会松动,”普林斯顿大学物理学教授弗兰斯·比勒托里乌斯说。 “他们开始产生大量的可见光,还有伽马射线,X射线,无线电波......”。

普林斯顿大学的研究人员几十年来一直在研究中子星及其天文特征。

中子星和伽玛射线:Bodhan Paczynski和Jeremy Goodman

引力波是中子星合并到达地球的第一个证据,然后是1.7秒后到达的伽马射线爆发。

1986年,普林斯顿天体物理学家首先确定了中子星和伽玛射线爆发之间的联系,理论天体物理学教授兼天体物理学系主任莱曼斯皮策小说James Stone说。 “许多发现[10月。 16]确认了30年前在普林斯顿做出的基本预测。“

他指的是由理论天体物理学教授莱曼·斯皮泽尔小姐和1983年博士生杰里米·古德曼提供的一组背靠背论文。毕业于Paczynski学习,现在是该系教授。在他们的文章中,Paczynski和Goodman认为,碰撞的中子星可能是伽玛射线爆发的来源,这是一种神秘的,短暂的能量来源,这种能量来源于20世纪60年代后期首次由卫星确定。

“我们都提到了这种可能性。谁首先提出了这个想法?我不知道,因为我们经常在谈话,“古德曼说。 “我们知道[中子星]偶尔会碰撞 - 我们知道这是因为[普林斯顿物理学家和诺贝尔奖得主]乔·泰勒的工作。”

此外,Paczynski已经意识到,大多数伽马射线爆发距离足够远,以至于宇宙的膨胀正在影响它们的表观分布。

“Bodhan Paczynski绝对是对的,”古德曼说。然而,他的想法并没有立即被这个领域所接受。 “我记得去新墨西哥州的陶斯参加一个会议。 Bodhan简短谈了他的想法,即伽马射线爆发来自宇宙距离。我记得那些其他天体物理学家......他说话时很尊敬,但认为他有点疯狂。“

他补充说,“Bodhan Paczynski是一位非常大胆的思想家。”

中子星碰撞:约瑟夫泰勒,罗素赫尔斯和乔尔魏斯伯格

1981年由约瑟夫泰勒撰写的一篇论文,现在是詹姆斯麦克唐纳杰出大学物理名誉教授,碰撞中子星的可能性首次引起了帕金斯基和古德曼的讨论。他1974年在他的研究生罗素赫尔斯(后来在普林斯顿等离子体物理实验室工作)中发现了二元中子星,并被授予1993年诺贝尔物理学奖。他们表明,他们发现的两颗中子星彼此相距约五十万英里,每7.75小时相互绕行一次。

1981年,来到普林斯顿不久,泰勒和随后的助理教授乔尔魏斯伯格宣布,经过几年的精确测量,他们已经证实距离和周期随时间而变化,轨道衰减符合阿尔伯特爱因斯坦的预测由于引力波发射引起的能量损失。这个轨道的速度正在变得非常缓慢,以至于Hulse-Taylor二进制中子星碰撞和合并需要大约3亿年的时间。

“一旦理解了Hulse-Taylor中子星二进制,随后的时序实验显示与广义相对论一致,就很清楚会发生碰撞,”物理学教授Steven Gubser说。 “因此,当我们庆祝碰撞中子星的第一次引力波探测时,我们还将Joe Taylor和Russell Hulse的发现归功于他们最初发现的二进制脉冲星,并证明它们实际上是中子星相互围绕着轨道运行,等待碰撞“。

星星如何合并:Steven Gubser和Frans Pretorius

画一个四分之一旋转在桌面上。当摩擦从系统中流出能量时,这个季度开始在其外边缘摇摆,造成一个“哗啦......哗啦......大声”的声音,加速(哗哗哗哗),加速(whopwhopwhopwhop),直到它只是当球场四分五裂在桌子上时,球场上的声音模糊成最后的“whoooop”。

这是Gubser和Pretorius在描述黑洞(或中子星)如何碰撞时提供的示范 - LIGO现在检测到五次的天文奇迹。在最近的一本关于他们的书的讲话中,普林斯顿大学出版社出版的“黑洞小书”中,Gubser和Pretorius使用了一个大约三英寸而不是四分之一的磁盘,因此他们的观众可以更容易地看到和听到磁盘缓慢但速度稳步增加。

“你通常会认为失去能量相当于放慢速度,而不是加快速度,但你从盘面上看到,事实上它可以走另一条路,”后来Gubser说道。 “当磁盘失去摩擦能量时,其接触点的移动速度越来越快,并产生特征性的上升频率。”

无论碰撞物体是中子星还是黑洞 - 或者其中一种 - 旋转运动和声音都遵循相同的模式。随着引力波能量的流失,这两个物体将越来越快地相互围绕着轨道运行,从而导致其不可避免的消亡。

就LIGO在8月17日发现的碰撞事件而言,两颗恒星 - 每个都是曼哈顿的大小,几乎是太阳质量的两倍 - 最终每秒钟绕着彼此旋转数百次,移动的重要部分在它们相撞之前的光速。

Gubser说:“Taylor和Weisberg的时间实验表明,这种模式的起点是由于螺旋线缓慢产生的,”Gubser说。 “频率增长非常缓慢,这就是为什么这是一个令人印象深刻的测量。”

相比之下,他说:“在螺旋线的最后阶段,频率迅速增加,并且你得到了LIGO看到的'呐喊'或'啁啾'波形。”

星星创造了什么:Adam Burrows和David Radice

当恒星以相当可观的速度部分相互撞击时,碰撞将原子聚集在一起并产生填充周期表底部行的元素。

古德曼说:“这些元素 - 铂金,黄金,还有许多价值不高的元素 - 它们的中子比原子核中的质子更多,”古德曼说。 “你不能像我们通过有效地增加一个中子一样来理解元素直到生产铁的方式来获得这些原子核。问题是你必须非常快速地添加大量的中子。“这个快速过程被物理学家称为r过程。

古德曼说,很长一段时间以来,科学家们认为r过程元素是在超新星中产生的,但这些数字并没有加起来。 “但是中子星主要是中子,如果你把它们中的两颗粉碎在一起,那么期望有一些中子会溅出是合理的。”

“这种合并的产物可能是金,铀,铕 - 自然界中一些最重元素,”天体物理科学教授兼行星与生命计划主任Adam Burrows说。

副研究学者Burrows和David Radice最近赢得美国能源部的资助,调查合并中子星和超新星,Burrows共同描述为“一些最具爆炸性的现象,某些最剧烈的现象,发生在定期在宇宙中。“

来自欧洲南方天文台超大望远镜(VLT)的LIGO探测后的光谱观测证实,在两颗中子恒星的碰撞中产生了像铂,铅和金这样的重金属。

用于识别这些元素的VLT数据,即可见光和近可见光波长,是在LIGO检测到引力波后几小时和几天内收集的。一旦开始传播LIGO的发现,世界范围内的天文学界就会在引力波源自天空的一片天空上训练他们的望远镜和其他仪器,前普林斯顿博士后研究人员Brian Metzger称之为“最雄心勃勃,充满情感的电磁波可能是任何短暂的[短命事件]。

Metzger是哥伦比亚大学助理物理学教授,是论文中近4000名合着者之一,描述了对X射线,伽马射线,可见光波,无线电波等的后续观察。 “这是一个非常令人惊异的引力波全色发现,基本上每一个波长,”他说。

古德曼说:对1987年的超新星来说,对天文学界的影响与他一生中唯一的其他事件相比。对这次恒星爆炸的观察已经为无数的天文学问题和理论提供了具体的解决方案。 “人们一直在建立这个超新星模型,一个高耸的理论大厦,观测基础有点不稳定,”古德曼说。 “没有人可以为这些事情想出一个更好的模型,但后来看到它......我不知道如何描述它,就像从上帝收到一封电报,确切地说这些事件是什么。”

古德曼说,从中子星合并产生的“电磁焰”中收集的大量数据也产生了类似的效果。 “我们有各种各样的猜测......但现在我们有这些引力波。正如我们预料的那样,两个紧凑的大众!“

“这是未来的引力波探测,这是一个新的天文学已被打开,”伯罗斯说。 “这是宇宙中的一个新窗口,已经有数十年的历史了,它是成千上万科学家,技术专家实现许多人认为他们不能实现的雄心壮志的惊人成果。”

出版物:B.P.Abbott等,“二元中子星合并的多信使观测”,The Astrophysical Journal,2017; DOI:10.3847 / 2041-8213 / aa91c9

资料来源:普林斯顿大学Liz Fuller-Wright