《天文学家首次探测到遥远的时空“拖曳”》

  • 来源专题:重大科技基础设施领域知识集成服务平台
  • 编译者: 魏韧
  • 发布时间:2020-09-14
  • 在1915年11月广义相对论完成之前,Albert Einstein已经意识到在引力弯曲时空的理论中,质量的旋转通常会直接影响引力场。简单地说,质量的旋转会扭曲其附近的时空,这种效应通常被称为“参考系拖曳”。1918年,Josef Lense和Hans Thirring在Albert Einstein的大力支持下,用广义相对论计算了太阳系的这种效应。特别是太阳旋转造成的时空拖曳如何影响行星的运动,认为影响在当时——直到现在——都是小得无法测量的。
    由SKA项目科学家组成的国际天文学家团队首次在一个遥远的双星系统中探测到了时空拖曳现象,他们利用一颗围绕白矮星运行的脉冲星探测到围绕快速旋转物体的时空漩涡。这种现象以前只能通过卫星实验在地球周围测量到。这项研究结果发表在本周的《科学》杂志上。
    来自脉冲星的无线电信号就像异常精确的时钟,因此观察到的任何变化都可以精确测量物体的运动。在这项研究中,白矮星的引力作用导致脉冲星路径变化,20年中大约改变了150公里,该路径变化称为Lens-Thirring进动(以1918年预测了这种效应的两位科学家名字命名)。这些观测是利用SKA的两个探路仪进行的:澳大利亚联邦科学与工业研究组织的帕克斯望远镜(Parkes Telescope)和莫龙洛天文台综合望远镜(Molonglo Observatory Synthesis Telescope)。利用这两台望远镜,研究小组能够测量脉冲星信号的到达时间,可以在其轨道上跟踪脉冲星,平均测距精度为30公里。
    新的射电望远镜,如MeerKAT和SKA,将在理解Einstein的理论如何在这些自然实验室发挥作用方面至关重要。英国SKA组织的科学家、合著者Evan Keane博士总结说:“SKA有望探测到更多这样类似的奇异双星系统,我们将能够研究更多广义相对论预测的效应。”

  • 原文来源:https://www.skatelescope.org/news/astronomers-detect-distant-space-time-dragging-first-time/
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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2020-06-22
    • 包括麻省理工学院(MIT)研究人员在内的一组天文学家发现了一种奇怪的、重复节奏的快速射电脉冲,这种脉冲来自于银河系外一个5亿光年之外的未知来源。 快速射电暴(FRBs)是一种电波短暂而强烈的闪光,被认为是小型、遥远、密度极高的物体的产物,尽管这些物体到底是什么一直是天体物理学中的一个谜。frb一般只持续几毫秒,在这段时间内,它们的亮度可以超过整个星系。 自2007年观测到第一个FRB以来,天文学家已经记录了100多个来自遥远源的快速射电暴,这些源分散在我们银河系之外的宇宙中。在大多数情况下,这些探测都是一次性的,在完全消失之前短暂地闪烁。在一些例子中,天文学家多次观察到来自同一源头的快速射电暴,尽管没有可识别的模式。 这个新的FRB源,小组已经将其编目为FRB 180916。J0158+65是第一个产生周期性或周期性快速射电暴的。这种模式开始于一个吵闹的四天窗口,在此期间,光源随机发射无线电波,随后是12天的无线电静默期。 天文学家观察到,这种16天的快速射电爆发模式在500天的观测中不断重复出现。“我们现在报道的这个FRB就像钟表一样,”麻省理工学院天体物理和空间研究Kavli研究所的物理学助理教授Kiyoshi Masui说。“这是我们从这些资料中看到的最明确的模式。这是一个大线索,我们可以用来寻找引起这些亮光的物理原因,没有人真正理解。” Masui美联储成员一致/协作,50多名科学家由英属哥伦比亚大学的麦吉尔大学,多伦多大学,加拿大国家研究委员会,运行和分析来自加拿大氢强度映射的数据实验,或一致,射电望远镜在不列颠哥伦比亚,是第一个拿起美联储新周期的源信号。 CHIME和FRB的合作在今天的《自然》杂志上发表了新发现的细节。 一个无线电视图 2017年,不列颠哥伦比亚省自治领无线电天体物理天文台(Dominion Radio Astrophysical Observatory)竖起了钟声,它迅速开始探测来自宇宙各地星系的快速射电爆发,这些星系距离地球数十亿光年。 编钟由四个大型天线组成,每个天线的大小和形状都相当于单板滑雪板的半管状天线,在设计上没有移动部件。CHIME并没有旋转来聚焦天空的不同部分,而是凝视着整个天空,使用数字信号处理来确定射电电波的发射区域。 从2018年9月到2020年2月,CHIME从一个信号源FRB 180916中挑选出38个快速无线电爆发。J0158+65是天文学家追踪到的一个巨大螺旋星系外围的恒星搅动区域,距离地球5亿光年。这个源是CHIME迄今探测到的最活跃的FRB源,而且直到最近它还是离地球最近的FRB源。 随着研究人员绘制了38次爆炸的分布图,一种模式开始出现:4天内出现1到2次爆炸,随后12天内没有任何爆炸,之后这种模式重复出现。这个16天的周期在他们观测源的500天里一次又一次地发生。 “这些周期性的爆发是我们以前从未见过的,这是天体物理学中的一个新现象,”Masui说。 盘旋的场景 尽管研究小组在他们的新论文中探索了一些想法,但究竟是什么现象导致了这种新的河外节奏仍然是一个很大的未知数。一种可能性是周期性的爆发可能来自单一致密的物体,比如中子星,它既旋转又摇摆——一种被称为进动的天体物理现象。假设无线电波是从物体上的一个固定位置发射的,如果物体沿着一个轴旋转,并且这个轴每16天只有4天指向地球的方向,那么我们就会观察到无线电波周期性的爆发。 另一种可能是双星系统,比如一颗中子星围绕另一颗中子星或黑洞旋转。如果第一颗中子星发射无线电波,并且在一个偏心轨道上短暂地接近第二颗中子星,那么这两个物体之间的潮汐强度可能足以导致第一颗中子星在它摆动之前短暂地发生变形和爆炸。当中子星沿着轨道旋转时,这种模式会重复出现。 研究人员考虑了第三种情况,包括一个围绕中心恒星旋转的放射源。如果恒星发出风,或气体云,那么每当光源通过云时,云中的气体就会周期性地放大光源的无线电辐射。 Masui说:“也许光源一直在释放这些爆炸,但我们只有在它穿过这些云时才能看到它们,因为这些云充当了透镜。” 也许最令人兴奋的可能是,这种新的FRB,甚至那些不是周期性的甚至不是重复的FRB,可能来自磁星——一种被认为具有超强磁场的中子星。磁星的细节仍然有点神秘,但天文学家已经观察到,它们偶尔会释放出大量的电磁波谱辐射,包括无线电波段的能量。 Masui说:“人们一直在研究如何让这些磁星发射出快速的射电暴,我们观察到的这种周期性已经被应用到这些模型中,以弄清楚它们是如何结合在一起的。” 最近,同一小组的一个新观测结果支持了磁星实际上可能是快速射电暴的可行来源的观点。四月底,CHIME接收到一个信号,看起来像是快速的无线电爆炸,来自一个闪耀的磁星,距离地球约30,000光年。如果该信号被证实,这将是我们银河系内首次探测到的FRB,也是磁星作为这些神秘宇宙火花来源的最令人信服的证据。
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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
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    • 来自日本、台湾和普林斯顿大学的天文学家在遥远的宇宙中发现了83颗类星体,它们是由超大质量黑洞提供动力的,当时宇宙的年龄还不到现在的10%。在这张由位于Maunakea的斯巴鲁望远镜上的超素数照相机拍摄的照片中,光线来自已知的最遥远的类星体之一,它由一个距离地球130.5亿光年的超大质量黑洞提供动力。该区域内的其他物体大多是我们银河系中的恒星或视线范围内的星系。 资料来源:图片由日本国家天文台提供 来自日本、台湾和普林斯顿大学的天文学家在遥远的宇宙中发现了83颗类星体,它们是由超大质量黑洞提供动力的,当时宇宙的年龄还不到现在的10%。 普林斯顿大学天体物理学教授迈克尔施特劳斯(Michael Strauss)是这项研究的共同作者之一。“了解黑洞是如何在早期宇宙中形成的,以及它们有多普遍,对我们的宇宙学模型来说是一个挑战。” 这一发现大大增加了那个时代已知黑洞的数量,并首次揭示了它们在宇宙历史早期是多么普遍。此外,它还提供了关于黑洞对宇宙最初10亿年早期气体物理状态的影响的新见解。这项研究发表在《天体物理学杂志》和日本天文台出版的五篇论文中。 在星系中心发现的超大质量黑洞,其质量可能是太阳的数百万倍甚至数十亿倍。虽然它们在今天很普遍,但尚不清楚它们最初是什么时候形成的,以及在遥远的早期宇宙中存在着多少。当气体聚集到一个超大质量黑洞上时,它就会变得可见,从而使它以类星体的形式发光。以前的研究只对非常罕见的、最明亮的类星体,也就是质量最大的黑洞敏感。这些新发现探测了较弱类星体的数量,这些类星体由质量相当于当今宇宙中大多数黑洞的黑洞提供动力。 研究小组使用了安装在位于夏威夷Maunakea山顶的日本国家天文台斯巴鲁望远镜上的尖端仪器“超级Suprime-Cam”(HSC)获取的数据。HSC有一个巨大的视野——直径1.77度,是满月的7倍——安装在世界上最大的望远镜之一上。HSC的研究小组在5年的时间里,用300个夜晚的望远镜观测天空。 研究小组从敏感的星状核物质探测数据中选择了遥远的候选类星体。然后,他们进行了一场密集的观测运动,用三架望远镜获得了这些候选者的光谱:斯巴鲁望远镜;西班牙加那利群岛La Palma岛上的Gran Telescopio Canarias;智利的双子南望远镜。这项研究发现了83颗以前不为人知的遥远类星体。一起17类星体已知在调查地区,研究人员发现大约有一个超大质量黑洞每立方giga-light-year——换句话说,如果你分块宇宙想象十亿光年的立方体,每个将持有一个超大质量黑洞。 这项研究中的类星体样本距离地球约130亿光年;换句话说,我们看到的是130亿年前的样子。由于大爆炸发生在138亿年前,我们实际上是在回顾时间,看到这些类星体和超大质量黑洞,因为它们出现在(已知的)宇宙诞生后大约8亿年。 人们普遍认为宇宙中氢曾经是中性的,但“reionized”——分裂成它的组成质子和电子,在第一代恒星,星系和超大质量黑洞出生时,第一大爆炸后的几亿年。这是宇宙历史上的一个里程碑,但天文学家仍然不知道是什么提供了令人难以置信的能量,需要引起再电离。一个令人信服的假设表明,在早期宇宙中,类星体的数量比以前探测到的要多得多,正是它们的综合辐射使宇宙重新电离。 “然而,我们观测到的类星体数量表明,情况并非如此,”1985年普林斯顿大学(Princeton university)博士、天体物理学高级研究科学家罗伯特·卢顿(Robert Lupton)解释说。“所看到的类星体数量远不足以解释再电离现象。”因此,再电离是由另一种能量源引起的,很可能是在年轻的宇宙中开始形成的众多星系。 斯巴鲁和HSC具有世界领先的调查能力,使本研究成为可能。“我们发现的类星体将是一个有趣的课题,可以用现有和未来的设施进行进一步的后续观测,”日本爱媛大学(Ehime University)前普林斯顿博士后研究员松冈义木(Yoshiki Matsuoka)说。“我们还将通过将测量到的数量密度和光度分布与理论模型的预测进行比较,了解超大质量黑洞的形成和早期演化。” 基于目前所取得的成果,该团队正期待着发现更远的黑洞,并发现宇宙中第一个超大质量黑洞出现的时间。 ——文章发布于2019年3月13日