截至目前,美国激光干涉引力波天文台(LIGO) 实验组已经通过两轮的科学运行实现了两项重大突破:2015 年 9 月 15 日直接观测到由两颗恒星级黑洞并合产生的引力波,为人类开启了探索宇宙的一个新窗口;2017 年 8 月 17 日,LIGO-VIRGO 合作组第一次探测到双中子星并合引力波事件(GW170817),并且世界上数十家机构协同合作,在多个电磁波段探测到了它的电磁波对应体,宣示了引力波-电磁波联合天文学时代的到来!对 GW170817 引力波与电磁波的联合探测,取得了许多重要的突破,如证实了短伽玛射线暴与双中子星并合事件的相关性,以及证实了预言已久的“千新星”信号的存在等等。但是,由于缺少早期的跟踪观测以及高分辨率的光谱观测,GW170817 遗留了很多问题以待未来的引力波-电磁波联合探测给予解决。例如,早期的“千新星”何时达到峰值,峰值光度是多少?千新星是否主要由快中子俘获过程供能?在核反应过程中是否生成了大量的超重元素?双中子星并合是否真的是宇宙超重元素(金、铂、镧系元素等)的主要起源地?等等。解决以上问题需要在未来双中子星并合事件的观测中解决早期跟踪观测以及高分辨率光谱观测等问题。
新疆 1.93米望远镜恰好在解决这两个问题上有着得天独厚的优势。
优势一: GW170817 没有实现早期跟踪的主要原因是目前世界上主要的大型望远镜集中分布在夏威夷群岛和南美洲,而 GW170817发生时刻恰好是这些台址所处时区的白天,从而无法进行观测。为解决早期跟踪观测的问题,需要建立一个全球多时区覆盖的中大型望远镜网络。 在亚洲大陆(尤其是中国西部)所在的时区范围内的望远镜很少,而能够实现引力波电磁信号探测的望远镜就更少了。新疆1.93米望远镜的建成将有效的填补这个时区的空白。对于将来的部分双中子星引力波事件,我们很可能会成为最早甚至唯一的早期跟踪望远镜,从而有望率先解决“千新星”早期光变问题,这无疑将是突破性的成果。
优势二:为判断双中子星并合是否是重元素的主要起源地的问题,我们需要对“千新星”进行高精度的光谱观测,以判断各元素的比例。GW170817 事件中有许多望远镜参与了观测,并得到的测光的数据,但却没有得到很好的光谱数据。新疆 1.93 米望远镜建成后将是世界上海拔高度最高、视宁度最好的望远镜之一,由此新疆 1.93米望远镜可以有非常强的光谱分辨能力,对其探测到的“千新星”进行精确的光谱学研究,从而有希望解决重元素起源问题,这又有可能成为突破性的成果。
引力波的研究一直是北师大的传统优势课题。2014 年北师大天文系成立引力波研究实验室,并迅速建立了一支研究方向紧密关联、彼此配合的学术团队。团队成员包括 1 名国家杰出青年基金获得者及长江特聘教授,1名青年千人计划获得者,4 名基金委优秀青年基金获得者。团队成员自 2010 年起(实现首例引力波探测之前),就对引力波电磁对应体的理论模型、数据分析等进行了系统的研究。目前基金委立项的引力波相关的重大项目与重点项目中,引力波电磁对应体相关课题均由实验室的团队成员负责。不仅如此,国内引力波数值模拟计算方向的专家很少,而其中两位专家都于近期选择加入了北师大引力波实验室,使得团队成员在引力波各频段和伴生电磁波的理论研究、数据分析和数值模拟等方面展开协同研究,和国内其他单位相比具有明显优势。总而言之,新疆 1.93米望远镜建成后,无论在将来的引力波电磁对应体的探测中,或是对探测数据的处理分析,理论解释中,北师大天文系的研究团队都将具有很大优势,有望做出在国际上具有高显示度的原创性成果。
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