LIGO實驗室資料圖
北京時間2017年10月16日22點,美國國家科學基金會召開新聞發佈會,宣佈激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)於2017年8月17日首次發現雙中子星併合引力波事件,國際引力波電磁對應體觀測聯盟發現該引力波事件的電磁對應體。記者從中國科學院高能物理所獲悉,我國第一顆空間X射線天文衞星——慧眼HXMT望遠鏡(以下簡稱“慧眼”望遠鏡)對此次引力波事件發生進行了成功監測,為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻,不僅以合作組形式加入了報告本次歷史性發現的論文(即發現論文),而且在論文的正文部分報告了觀測結果。該論文於10月16日正式發表。
我國第一顆空間X射線天文衞星——慧眼HXMT望遠鏡,於2017年6月15日在酒泉衞星發射中心採用長征四號乙運載火箭發射。
引力波示意圖
據中科院高能物理研究所熊少林研究員介紹:“‘慧眼’望遠鏡在引力波事件發生時成功監測了引力波源所在的天區,對其伽馬射線電磁對應體(簡稱引力波閃)在高能區(MeV,百萬電子伏特)的輻射性質給出了嚴格的限制,相關探測結果發表在報告此次歷史性發現的研究論文中。”
引力波是1916年愛因斯坦建立廣義相對論後的預言。極端天體物理過程中引力場急劇變化,產生時空擾動並向外傳播,人們形象地稱之為“時空漣漪”。自從2015年9月14日LIGO首先發現雙黑洞併合產生的引力波事件以來,已經探測到4例引力波事件,包括這次宣佈的LIGO和Virgo聯合探測的雙中子星併合引力波事件。
引力波的直接探測剛剛獲得了2017年度諾貝爾物理學獎。探測引力波電磁對應體對研究引力波事件、宇宙學以及基礎物理具有不可替代的決定性作用,因此,人們普遍認為引力波研究的下一個里程碑是發現引力波事件產生的電磁輻射。
慧眼HXMT望遠鏡衞星
中國科學技術大學物理學院教授蔡一夫説:“簡單説,引力波電磁對應體是指來自同一個天體現象伴隨着引力波同時產生的電磁信號。”
熊少林説:“本次發現的引力波事件跟以往發現的雙黑洞併合不同,它由兩顆中子星併合產生。理論預言雙中子星併合不僅能產生引力波,而且能產生電磁波,即引力波電磁對應體,因此本次探測到引力波以及電磁對應體是天文學家期待已久的重大發現,在天文學以及物理學發展史上具有劃時代的意義,正式開啓了多信使引力波天文學時代。”
因為此次引力波事件具有極為重要的意義,天文學家使用了大量的地面和空間望遠鏡進行觀測,形成了一場天文學歷史上極為罕見的全球規模的聯合觀測。然而,引力波事件發生時僅有4台X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到爆發天區,中國的“慧眼”望遠鏡便是其中之一。
“在這些望遠鏡中,‘慧眼’在0.2-5MeV能區的探測接收面積最大、時間分辨率最好,因此對引力波閃的百萬電子伏特(MeV)能區的伽馬射線輻射的探測能力最強。”熊少林説,“雖然此前人們普遍預計像本次事件這樣近距離(約1.3億光年)的雙中子星併合產生的引力波閃將極為明亮,但本次引力波事件產生的引力波閃出乎意料的闇弱,特別是在MeV能區的輻射十分微弱,導致沒有望遠鏡(包括慧眼在內)在這個能區探測到引力波閃。慧眼望遠鏡憑藉強大的探測性能,對該引力波閃在MeV能區的輻射性質給出了嚴格的上限。”
據悉,除了參與歷史性的核心發現論文,慧眼望遠鏡的詳細分析結果以獨立論文的形式已於10月16日同步發表在《中國科學:物理學力學天文學》雜誌英文版的網頁版。
值得注意的是,“慧眼”望遠鏡本來的設計目標是探測黑洞和中子星等銀河系內的X射線天體,研究極端引力場條件下的物理規律。項目組通過對慧眼望遠鏡輔助探測器的創新性使用,獲得了額外的探測伽馬暴及引力波電磁對應體的能力,使其成為國際上正在運行的最重要的伽馬射線暴監測設備之一,大大擴展瞭望遠鏡的科學產出。
“慧眼”衞星由國家國防科技工業局和中國科學院聯合資助建造,於2017年6月15日從酒泉衞星發射中心成功發射升空,開始為期5個月的試運行。中科院高能物理研究所(粒子天體物理重點實驗室)負責望遠鏡觀測運行以及數據處理。參與本次引力波事件觀測時,慧眼望遠鏡剛剛試運行2個月。試運行結束後慧眼望遠鏡將開始正式的科學觀測,同時繼續監測研究引力波閃。
此外,在LIGO合作組2016年宣佈探測到引力波之後,發現引力波事件的電磁對應體便成為最重要的天體物理問題之一。在慧眼望遠鏡的技術基礎之上,中國科學院高能物理研究所提出了專門探測引力波閃的引力波高能電磁對應體全天監測器項目(GECAM),並將其命名為“閃電”。
“閃電”採用針對性優化設計,不僅能夠同時監測全天隨機爆發的引力波閃,而且具有更低的探測閾值、更高的監測靈敏度以及更好的定位能力,對引力波閃的綜合探測性能遠超現有望遠鏡。
熊少林説:“目前,在中國科學院前沿科學重點研究計劃的支持下,“閃電”項目的關鍵技術攻關以及方案設計的大部分工作已經完成。如果立即立項,可以在2020年前發射升空,從而趕上與最佳靈敏度的LIGO和Virgo等引力波探測器進行聯合觀測,並與“慧眼”望遠鏡聯合獲得寬能區範圍內引力波閃的性質,實現最大的科學產出,使我國在引力波電磁對應體的探測研究上達到國際領先水平。”
美國宇航局（NASA）三台火星探測器的日晷上都刻有一小段銘文，其中詳細介紹了火星探測任務，以及我們地球人向這顆相鄰行星發射探測器所希望達成的目標。銘文的最後一句話是：“致未來的火星訪客，我們祝願你們旅途平安，盡享發現的喜悦。”
美國宇航局的科學家慶祝“朱諾”號探測器飛抵木星。從技術上説，這算不上什麼科學發現，但看看他們多高興！
發現的喜悦！這種説法是不是很可愛？
過去一年，至少可以説，這個世界存在諸多不如人意之事。但在各種各樣的動亂之中，我們也收穫了一些喜悦，尤其是科學發現的喜悦。人類繼續前進，尋得宇宙奧秘的答案，並斬獲能夠讓我們更緊密聯繫在一起的新知。
當科學領域取得重大發現時，我就會想到，作為一個物種，我們可以做得很好。我們充滿好奇心和智慧，能夠取得令人着迷和興奮的發現——而且，我們重視科學，使得這些發現變成現實。每思及此，我那冰冷的心就會感受到温暖。
如果你覺得有必要回顧一下2016年慰藉人心的事情，以下是我們最鐘意的、最能夠“對人類重拾信心的”年度十大科學發現：
人類首次探測到引力波
簡單地説，引力波是引力場泛起的“漣漪”，它們由天體（比如黑洞）的運動引起。雖然阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）預言了引力波的存在，但即使是他也不相信人類有朝一日能夠探測到它們。也許我們花了100年才證實這個預言，但我們的確做到了。
今年早些時候，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）的科學家探測到了由兩個黑洞對撞發出的引力波，從而開啓了人類觀測宇宙的新時代。發現引力波這件事證明，我們不僅有能力觀測周圍的恆星，而且能夠偵聽到目力所不能及的天文現象。
隔壁的類地行星
比鄰星距離我們太陽系僅僅只有4.2光年，是距離太陽最近的恆星。科學家在今年發現，在比鄰星的宜居帶（即距離恆星既不太遠也不太近的地帶），有一顆類地行星正圍繞它運行。這顆岩石行星的尺寸和所處的位置意味着，它的上面有可能存在液態水——科學家認為，這是地外行星存在生命的必要條件。這一發現讓科學家付出了十多年的努力。雖然我們已經觀測到了很多潛在的類地行星，但發現一顆距離地球如此近的宜居行星，這非常令人興奮。此事為我們打開了取得各種潛在新發現的大門，其中包括向比鄰星發射探測器，以近距離觀測那顆類地行星。
圍繞比鄰星旋轉的類地行星藝術構想圖。
形狀和大小各異的新物種
數百年來，我們一直在記錄地球上存在的物種。儘管如此，一些研究預測，地球上仍有超過80%的物種未被人類發現。但好消息是，我們正在不斷髮現此前不為人知的物種，2016年也不例外。從生活在海底的“幽靈”章魚，到能夠模擬樹葉的蜘蛛，再到長着一些額外“丁丁”的奇怪千足蟲，我們在過去一年發現了不少形狀和大小各異的新物種。這個世界仍然存在各種各樣的神奇生物等待着我們去探索。
用科學對抗寨卡病毒
今年年初，人們意識到，此前鮮為人知的寨卡病毒能夠導致一種名為小頭畸形的罕見先天缺陷。隨着這種病毒在拉丁美洲和美國南部地區迅速蔓延，人們變得驚慌失措。然後，在這種恐懼面前，科學家挺身而出，他們很快開發出一系列干預措施，從疫苗到針對孕婦的治療方法，再到對蚊子進行基因改造使其失去繁育能力。雖然我們未能找到一勞永逸的解決方案，但過去一年中，醫學研究人員加深了我們對於這種病毒及其影響、以及如何加倍保護嬰幼兒的瞭解，並展示了我們在投入科研努力後所能做到的不可思議事情。
讓癱瘓的猴子再次行走
數十年來，讓截癱患者再次行走一直是醫學研究人員的夢想，他們已經在這個領域取得了一些創新進展。不過，我們在今年看到了一些令人振奮的新成就，來自瑞士的研究人員利用大腦芯片成功讓癱瘓的猴子再次擁有了行走的能力。動物研究只能算是跳板，並不一定意味着這種技術對人類也有效。但是，它是一個絕佳的例證，展示了科學和技術相互融合能夠幫助解決我們面臨的諸多難題。
世界上最古老的化石
有時候，新的發現源自於非常古老的東西，它們可以教會我們一些非常酷的新信息。就拿今年在格陵蘭島發現的、擁有37億年曆史的化石來説吧，它超過了上一個紀錄保持者（即在澳大利亞出土的35億年曆史的化石），讓我們得以窺見地球最早期的生命；同時也向我們展示，即使在那個時候（即地球剛剛成形且不斷遭到小行星的襲擊），生命仍然成功找到了立足之地，讓人不得不驚歎生命的頑強。
生命的起源被追溯至單個分子
説到我們可以從古老事物中獲得的新發現，科學家還在今年發現了一種令人驚奇的單分子，它讓地球上的單細胞生物開始向多細胞生物過渡。這種分子名為GK-PID，它是地球進化出多細胞生物（比如説，我們人類）的必要條件。研究人員發現，正是這種分子在遠古時期發生的突變讓一切成為可能，這提醒我們生命的存在是多麼不可思議。
認識水熊蟲
緩步動物，有時也被稱為“水熊蟲”或“苔蘚豬”，是一種微型生物，它們不可思議的強韌生命力讓科學家十分着迷。水熊蟲可以在一些條件最惡劣的環境中生存，包括外太空。今年，對於它們是如何做到的，我們開始有了更進一步的認識。研究人員通過基因測序瞭解了水熊蟲的大量秘密，其中包括髮現了一種蛋白質，它能夠幫助水熊蟲的DNA免遭輻射破壞。如果我們能夠揭開這種生物強韌生命力的奧秘，那麼我們甚至有可能納為己用。
一隻可愛的水熊。
三親嬰兒
雖然此前已經有“三親嬰兒”降生於世，但線粒體移植術是在今年首次取得成功的。此前的“三親嬰兒”有少部分DNA來自父母之外捐贈者提供的細胞質——即細胞中包裹細胞核和線粒體的粘性物。現在，通過線粒體移植術，三親嬰兒只繼承了捐贈者的線粒體DNA，跟以前相比堪稱巨大的飛躍。儘管存在一些爭議，但這項技術可能意味着，那些因一系列遺傳併發症而無法生育下一代的父母擁有了新的希望。
熊貓不再是瀕危動物
我以前也撰文探討過，熊貓這種動物“不值得拯救”的思潮在社會上傳播，導致對這種動物以及對它們的保護工作產生了種種誤解。所以，當國際自然保護聯盟（International Union for the Conservation of Nature）在2016年初將熊貓的生存狀態從“瀕危”下調為“易危”時，我們發出了歡呼，稱讚這是數十年來國際保護工作的成果。雖然這並不意味着保護工作已經結束，但我以前説過，如果我們救不了熊貓，那麼我們也救不了其他動物。因此，這是非常可喜的進步。
翻譯：何無魚
來源：Motherboard
造就：劇院式的線下演講平台，發現最有創造力的思想
(2017-01-05)