GW170817

GW170817
GW170817 spectrograms.svg
Other designations GW170817
事件類型 重力波事件、千新星
日期 2017年8月17日
儀器 激光干涉引力波天文台国际伽玛射线天体物理实验室费米伽玛射线空间望远镜 编辑维基数据
星座 长蛇座 编辑维基数据
距離 40.7 兆秒差距
紅移 0.0099 编辑维基数据
先前 GW170814 编辑维基数据
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GW170817LIGOVIRGO在2017年8月17日觀測到的引力波事件,其出自於兩個中子星併合在一起。

在此之前觀測到的幾次引力波事件都是出自於兩個黑洞併合,其不被預期會產生可被觀測到的電磁波信號。[1][2][a]這次中子星併合的後續電磁現象也被很多種不同波段的望遠鏡觀測到,這標誌著多信使天文學英语multi-messenger astronomy的新紀元已經來臨。[4][5][6]

對於這一次天文學事件,至少有三種不同的觀測方法分別觀測到不同的現象:

宣告

這是首次我們兼同觀測到激變天文物理事件所產生的引力波與電磁波,其為我們的宇宙信使。[14]

大衛·瑞澤英语David Reitze, LIGO執行主任

此一事件於2017年10月16日正式在美國的華盛頓特區德國加興英语Garching, Germany宣佈。[12][15][16]

這份訊息最早是由德州大學奧斯丁分校的天文學家克雷格·惠勒(J. Craig Wheeler)於8月14日在推特發佈:“LIGO惊人新发现,伴有光学对应体。超乎想象!”[17]他後來又刪除了這份訊息,並對以非正式途径公布資訊的行為表示道歉。後來,有些人追查這傳言,他們報告,在幾個主要望遠鏡的公開紀錄裡,觀測清單內的先後順序曾被暫停執行,以便排出時段優先觀測NGC 4993,其是位於長蛇座,距離地球約40 Mpc(130 Mly)的一個橢圓星系[9][18]。參與的幾個機構早先拒絕對此傳言做說明,只公告聲明有幾個探測器發現異常的現象需要分析[19][20],直至2017年10月16日才發表了官方的聲明 [12][16]

偵獲引力波

兩個中子星碰撞的藝術印象影像英语Artist’s impression其描述一般的中子星碰撞過程,不是特別描述GW170817事件 (00:23 影像.)

此次引力波信号持续约100秒,頻率從24赫茲開始,經過約3000多个周期,頻率增加至幾百赫茲,呈通常的旋近英语inspiral啁啾模式,最終以相互碰撞並且併合在一起來結束旋近過程,併合的時刻為12:41:04.4 UTC。这个信号首先到达位于意大利的VIRGO探測器,過了22毫秒后到达位于美国路易斯安那州利文斯頓的LIGO探测器,又過了3毫秒后到达位于美国华盛顿州汉福德的LIGO探测器。[21] 用來配對引力波信號的波型模板是按照廣義相對論的後牛頓近似理論製成。[22]

在併合事件發生的6分鐘之後,對於LIGO汉福德的數據進行的電腦探索分析引發了「觸發」機制,LIGO立即將這單探測器引力波觸發事件信息通過GCN通知(GCN notice)13:08:16 UTC告知其他天文學研究團隊。[13]:第2.1節由於在併合事件的約16秒之後,於12:41:20 UTC,Fermi的伽瑪射線爆監視系統(Gamma-ray Burst Monitor,Fermi-GBM)就已探測到伽瑪射線爆,並且Fermi也已發布了GCN通知,宣布探測到伽瑪射線爆,[23]因此「幾乎同時警旗」已自動舉起。約在併合事件的40分鐘之後,於13:21:42 UTC,LIGO/Virgo團隊又發布了GCN報告(GCN circular),宣布非常可能發現了伴隨著伽瑪射線爆的中子星併合事件,還給出大致的引力波源位置。[24][13]:第2節[25]

對於併合事件的天空定位,需要分析從三個干涉儀獲得的數據。但在分析過程中,由於發生兩個問題,因此延緩了約4.5小時才獲得天空定位。第一個問題是,在併合前幾秒,LIGO利文斯頓的數據出現了短暫的干擾,由於儀器噪聲,因此實時分析軟體忽略了信號,必須用手工分析數據。第二個問題是,由於技術故障,VIRGO的連續流送數據被中斷,因此造成延遲。[25] 在17:54:51 UTC,这三个探测器以90%的确信度将信号源定位在南天的一个31平方度的区域内。[24][c]後來,更仔細地計算,將信号源定位在28平方度的区域内[4][d]

偵獲伽瑪射線

兩個中子星併合的藝術繪圖。

費米伽瑪射線空間望遠鏡(Fermi)最先偵測到伽瑪射線暴GRB 170817A,其發生在併合事件的 1.7 後,於12:41:06 UTC,並且持續了2秒。GRB 170817A被分類為短暫伽瑪射線暴。[13]:第2.2節[11][16][9]在伽瑪射線暴被偵測到的14秒後,於12:41:20 UTC,Fermi的觸發系統自動發布了GCN通知,宣布探測到伽瑪射線暴,提醒其他研究團隊注意。於13:57:47 UTC,國際伽瑪射線天體物理實驗室(INTEGRAL)也偵測到這伽瑪射線暴。從伽瑪射線暴抵達兩個探測器的時間差,天文學者估算出伽瑪射線暴的大致天空定位,這動作促使對於伽瑪射線暴的準確天空定位獲得改善。[24][13]:第2.2節

雖然伽瑪射線源NGC 4993離地球不遠,[e]偵測到的信號相當微弱,這可能是因為併合過程所生成的物質噴流不是直接噴向地球,而是與地球視線呈30゚角度。[12][26]仔細分析Fermi數據可以揭示,GRB 170817A分為兩個組分。第一個組份是主脈波,其時期是從併合事件的0.320秒前至0.256秒後,它的最佳擬合是康普頓化函數英语Comptonized function,即被指數截止的冪定律。第二個組份是弱尾巴,其緊跟在主脈波之後,累積通量英语fluence為主脈波的34%,頻譜類似軟黑體頻譜,溫度約為108K。[13]:第2.2節

偵獲電磁波

哈勃空间望远镜觀測到千新星的光波,在6天內,從8月22日至28日,緩慢地變得黯淡,如內圖所示。
曲線圖展示出千新星 GW170817 在通過幾種濾色器後被測量到的光學亮度。該星體的藍色光快速地變得黯淡,而近紅外線則先稍為變得明亮些,然後再緩慢地變得黯淡。在4個星期期間,整個星體的顏色從非常藍變為非常紅。[27]
甚大望遠鏡的X射線相機拍攝到的頻譜合成圖展示出,星系NGC 4993的千新星在被偵測到之後的12天時期裡的變化。每一組頻譜包括從近紫外線至近紅外線的各種電磁頻帶,它們共同揭露了星體隨著亮度變得黯淡而怎樣變得更紅。[28]

被發布給其他研究團隊的一系列通知與報告,包括於 13:21 UTC 發布的伽瑪射線暴與引力波觸發的GCN報告,以及於 17:54 UTC 發布的三台 LIGO 引力波探測器所給出的天空定位GCN報告,促使了很多巡天調查機械望遠鏡英语robotic telescope立即進行大規模探索。ref name=GCN/>由於探索區域相當廣泛,約為月球覆蓋天空區域的150倍,[26]而且在那時期,探索區域離太陽的角距離很近,因此觀測窗只能在黃昏之後幾個小時,因為探索區域會很快地降到地平線以下。[25][f]

最先偵測到併合事件所伴隨的可見光的團隊是斯沃普超新星巡天英语Swope Supernova Survey(Swope Supernova Survey,SSS)。在併合事件的10.87小時之後,斯沃普超新星巡天利用位於拉斯坎帕納斯天文台,運作波段為近紅外線的1米直徑斯沃普望遠鏡,在NGC 4993圖像裡找到了光學暫現源的蹤跡。在這時刻的1小時內,並且在SSS團隊發布訊息之前,另外還有5個團隊也拍攝到暫現源的蹤跡。它們分別是小於40百萬秒差距巡天英语DLT40可見光和紅外巡天望遠鏡暗能量照相機拉斯康柏瑞斯天文台英语Las Cumbres Observatory、大師全球程控網(Master Global Robotic Net)。斯沃普超新星巡天團隊將這光學暫現源命名為「SSS17a」,後來被國際天文學聯合會 (IAU)正式命名為「AT 2017gfo」。[13]:5-6[g]

SSS團隊對於LIGO給出的天空區域進行巡天,發現了一個新的暫現源與其所位居的宿主星系,並且給出的離地球距離跟單獨使用引力波所估算出的距離相符合。[26][h]由於已偵測到光學源,因此定位的準確性獲得大量改善,不確定性從幾十角度減低至0.0001角度,所以很多大型地基望遠鏡與空間望遠鏡能夠在之後的幾周持續地觀測光學源。在併合事件的15.3小時候,雨燕衛星開始偵測到明亮的紫外線。[13]:6

在之後兩天裡,隨著光學源的擴張與降溫,光學源所發射出紫外線與藍色光變得黯淡,近紅外線變得更為明亮。約一個星期後,紅色光與近紅外線也開始變得黯淡。[13]:6在併合事件的9天後,钱德拉X射线天文台開始偵測到X射線;16天後,美國紐墨西哥州的甚大天線陣開始偵測到无线电波[25]多過70個電磁波天文台觀測到併合事件。[12]

在首先偵測到光學源的30分鐘後,SSS團隊又首先獲得了光學源的頻譜,其在 4000 與 10000 Å ( 400-1000nm )之間顯示出藍色與無特徵的連續性波段,符合黑體模型的冪定律。藍色與無特徵的連續性波段常見於激變變星與初期的核心塌縮超新星,因此雖然不很尋常,但也不是史無前例的行為。[13]:7在併合事件的1.46天後,才出現明顯的特徵。對於頻譜做黑體模型分析,可以得到以下結果:在併合事件的 11.75小時之後的1小時期間,光球半徑約從 3.3×1012m增加至 4.1×1012m,溫度約從 11000K降低至 9300K,光球速度為光速的 30%;[30]:2

AT 2017gfo的確是GW 170817的後果,這可以由幾個強而有力的證據來證實:[13]:5

  1. 暫現源的顏色演化與頻譜不同於其它任何已知超新星。
  2. 宿主星系的距離與引力波探測器的獨立估算相符合。
  3. 在引力波探測器的天空定位區域沒有發現任何其它暫現源。
  4. 在併合事件發生前的各種影像存檔裡,在AT 2017gfo的位置並沒有找到任何星體,因此排除該星體是在銀河系裡的前景變星的可能。

分析

初步研究表明这次引力波事件与两个中子星的碰撞相关联。[9][18][20][31]这次星际碰撞被认为与一次被命名为GRB 170817A的γ射线爆相关联,后者在2017年8月17日,引力波事件后的1.7秒被发现。[16][20]11小时后,这次碰撞发出的可见光被观测到。[16]

註釋

  1. ^ Although acknowledged as unlikely, several mechanisms have been suggested by which a black hole merger could be surrounded by sufficient matter to produce an electromagnetic signal, which astronomers have been searching for.[2][3]
  2. ^ 方向範圍較大主要有三個原因:一是因為伽瑪射線暴很微弱,二是費米伽瑪射線空間望遠鏡的系統不確定性展現出較為延伸的尾巴,三是費米在靠近南大西洋異常區時會遭受到高通量的帶電粒子所產生的背景。[8]:第3節

    But although the Fermi telescope has seen a GRB, it may not be able to pinpoint its origin with high precision, astronomers caution.[9]

  3. ^ GCN circular #21513: The 50% credible region spans about 9 deg2 and the 90% region about 31 deg2.[24]
  4. ^ 稍加比較,滿月覆蓋了大約0.2平方度的区域。[26]
  5. ^ GRB 170817A是被測量到紅移的離地球最近的短暫伽瑪射線暴。[13]:第2.2節
  6. ^ They knew that, at that time of the year, the region to search was not far from the Sun. That left a window of observation of a couple of hours after dusk, before the region of sky would set below the horizon.[25]
  7. ^ SSS團隊領導雷恩·福立(Ryan Foley)的偵測方法是,按照優先順序來做探測,給予最可能藏有中子雙星的星系更優先的待遇,並且務必使每個視場囊括更多星系。其他團隊使用較為井然有序的方法,就如同掃地一般。SSS團隊在第9個視場找到了GW170817。雷恩·福立特別指出,該光學源相當明亮,甚至業餘天文學者都能夠偵測到它,另外,該光學源在智利被偵測到的幾個小時之前,應該也可以在非洲被偵測到。[29]
  8. ^ NGC 4993 … at a distance of ≈ 40 Mpc, consistent with the gravitational-wave luminosity distance.[13]:5

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外部链接