科学家们探测到了中子星与潜在黑洞在质量缝隙中碰撞产生的引力波

科学家们探测到了中子星与潜在黑洞在质量缝隙中碰撞产生的引力波 低质量间隙黑洞（深灰色表面）与中子星的凝聚与合并，颜色从深蓝色（每立方厘米 60 克）到白色（每立方厘米 600 千克）不等，凸显了中子星低密度物质的强烈变形。资料来源：I. Markin（波茨坦大学）、T. Dietrich（波茨坦大学和马克斯-普朗克引力物理研究所）、H. Pfeiffer、A. Buonanno（马克斯-普朗克引力物理研究所）。2023 年 5 月，就在 LIGO-Virgo-KAGRA 第四次观测运行开始后不久，位于美国路易斯安那州的 LIGO 利文斯顿探测器观测到了一个引力波信号，该信号来自于很可能是一颗中子星与一个质量为太阳 2.5 至 4.5 倍的紧凑天体的碰撞。中子星和黑洞都是紧凑型天体，是大质量恒星爆炸后的致密残余物。这个名为 GW230529 的信号之所以引人入胜，是因为它的质量较大。它处于已知最重的中子星和最轻的黑洞之间可能存在的质量差距之内。引力波信号本身并不能揭示这个天体的性质。未来对类似事件的探测，特别是那些伴随着电磁辐射爆发的事件，可能有助于解决这个问题。不列颠哥伦比亚大学助理教授、LIGO 科学合作组织副发言人杰斯-麦基弗博士（Dr. Jess McIver）说："这次探测是我们从第四次 LIGO-Virgo-KAGRA 观测运行中获得的第一个令人兴奋的结果，它揭示了中子星和低质量黑洞之间的类似碰撞的发生率可能比我们之前想象的要高。"由于只有一个引力波探测器看到了这一事件，因此评估它是否真实变得更加困难。这幅图像显示了低质量间隙黑洞（深灰色表面）与中子星的合并，颜色从深橙色（每立方厘米 100 万吨）到白色（每立方厘米 6 亿吨）不等。引力波信号用一组正偏振的应变振幅值表示，颜色从深蓝色到青色不等。资料来源：I. Markin（波茨坦大学）、T. Dietrich（波茨坦大学和马克斯-普朗克引力物理研究所）、H. Pfeiffer、A. Buonanno（马克斯-普朗克引力物理研究所）。检测技术的进步ICG 的研究软件工程师 Gareth Cabourn Davies 博士开发了用于在单个探测器中搜索事件的工具。他说"通过在多个探测器中看到事件来证实事件是我们从噪声中分离信号的最强大工具之一。通过使用适当的背景噪声模型，即使在没有其他探测器支持我们所看到的情况下，我们也能判断出一个事件"。在2015年探测到引力波之前，恒星质量黑洞的质量主要是通过X射线观测发现的，而中子星的质量则是通过无线电观测发现的。由此得出的测量结果分为两个截然不同的范围，两者之间的差距约为太阳质量的 2 到 5 倍。多年来，有少量测量结果蚕食了这一质量差距，天体物理学家对此仍有很大争议。最新研究结果的影响对 GW230529 信号的分析表明，它来自两个紧凑型天体的合并，其中一个天体的质量是太阳质量的 1.2 到 2.0 倍，另一个天体的质量是太阳质量的两倍多一点。虽然引力波信号没有提供足够的信息来确定这些紧凑的天体是中子星还是黑洞，但看起来较轻的天体很可能是中子星，而较重的天体则是黑洞。LIGO-Virgo-KAGRA合作组织的科学家们确信，较重的天体就在质量差距之内。引力波观测现在已经提供了近 200 个紧凑天体质量的测量值。其中，只有一次并合可能涉及质量鸿沟紧凑天体GW190814 信号来自黑洞与一个紧凑天体的并合，该天体的质量超过了已知最重的中子星，而且可能在质量鸿沟之内。来自美国西北大学的 Sylvia Biscoveanu 博士说："虽然之前已经报道过引力波和电磁波中存在质量间隙天体的证据，但这个系统尤其令人兴奋，因为它是首次引力波探测到与中子星配对的质量间隙天体。对这一系统的观测对双星演化理论和紧凑天体合并的电磁对应理论都有重要意义"。正在进行和未来的观察第四次观测运行计划持续 20 个月，其中包括几个月的间歇期，以便对探测器进行维护并进行一些必要的改进。截至 2024 年 1 月 16 日，也就是当前的间歇期开始时，总共发现了 81 个重要的候选信号。GW230529 是经过详细调查后公布的第一个候选信号。第四次观测运行将于 2024 年 4 月 10 日恢复，LIGO Hanford、LIGO Livingston 和 Virgo 探测器将同时运行。观测运行将持续到 2025 年 2 月，不会再有中断观测的计划。在观测运行继续进行的同时，LIGO-Virgo-KAGRA 的研究人员正在分析运行前半段的数据，并检查已经确定的其余 80 个重要候选信号。到 2025 年 2 月第四次观测运行结束时，观测到的引力波信号总数将超过 200 个。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家分析中子星合并过程 揭开宇宙重元素诞生的原理

天文学家分析中子星合并过程 揭开宇宙重元素诞生的原理 这次大爆炸释放出了一个伽马射线暴GRB230307A，是50年观测中第二亮的伽马射线暴，比一般的伽马射线暴亮1000倍左右。GRB230307A于2023年3月7日首次被美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜探测到。科学家们利用多台太空和地面望远镜，包括美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）有史以来发射到太空的最大、最强大的望远镜能够在天空中精确定位伽马射线暴的源头，并追踪其亮度的变化情况。根据收集到的信息，研究人员确定这次爆发是两颗中子星在距离地球 10 亿光年的星系中合并形成千新星的结果。研究人员观察到了碲的证据，碲是地球上最稀有的元素之一。这一突破性发现使天文学家离解开比铁更重的元素的起源之谜又近了一步。"我是一名高能天体物理学家。我喜欢爆炸。我喜欢爆炸产生的伽马射线。但我也是一个真正关心基本问题的天文学家，比如重元素是如何形成的，"哈特曼说。克莱姆森大学物理和天文学系教授迪特尔-哈特曼。资料来源：克莱姆森大学伽马射线暴（GRBs）是伽马射线光的爆发，是光中能量最高的一种，持续时间从几秒到几分钟不等。最早的伽玛射线暴是在 20 世纪 60 年代由用于监测核试验的卫星探测到的。全球红外探测器的成因各不相同。长持续时间的全球记录光暴发是由超新星引起的，超新星是指一颗大质量恒星到达其生命尽头并爆发出光的时刻。持续时间较短的古雷暴是由两颗中子星合并（称为千新星）或一颗中子星和一个黑洞合并产生的。虽然 GRB230307A 只持续了 200 秒，但科学家们看到余辉的颜色从蓝色变成了红色，这是千新星的特征。"爆发本身实际上表明这是一个持续时间很长的事件，它应该是一个正常的超新星类型。但它有不寻常的特征。它不太符合长爆发的模式，"哈特曼说。"事实证明，这个放射性云团，这个千新星余辉，其中有所有这些核合成指纹，是双星合并的特征。令人兴奋的是，我们利用韦伯望远镜识别出了一种化学指纹，我们原本以为这种指纹会出现在短爆发中，但却在长爆发中看到了它。"哈特曼说，宇宙大爆炸产生了氢和氦。所有其他元素都是由恒星和星际介质中的过程产生的。"有些恒星的质量大到足以爆炸，它们会把这些物质送回气态环境，然后再制造新的恒星。因此，宇宙中存在着一种循环，它使我们的碳、氮、氧以及我们所需的所有物质变得更加丰富，我们称恒星为宇宙的大锅。"热核反应或聚变使恒星闪闪发光，这导致了更多重元素的相继产生。他说，轮到铁的时候，就没有多少能量可以挤出来了。那么，金和铀等重元素从何而来？"重元素有着特殊的起源。主要有两个过程。一个叫做快速过程，另一个叫做慢速过程。哈特曼说："我们认为r过程发生在那些中子星合并中。"理论建模表明千新星当中应该产生碲，但詹姆斯-韦伯太空望远镜探测到的光谱线提供了实验证据。光谱线是连续光谱中的一条暗线或亮线。它是由原子或离子内部的跃迁产生的。哈特曼说："我们认为这是一个相当可靠的鉴定，但并不能够像法庭上所说的那样排除合理怀疑。"研究的详细结果见科学杂志《自然》上发表的题为"JWST 观测到的紧凑天体合并中的重元素生成"的论文： ... PC版： 手机版：

科学家利用新一代中子反射镜揭开物质的内在秘密

科学家利用新一代中子反射镜揭开物质的内在秘密 林雪平大学薄膜物理学部研究员 Fredrik Eriksson 说："与其提高中子源的功率（这是非常昂贵的），不如专注于改进光学技术。"中子与质子一起构成原子核。根据原子核中中子数量的不同，元素的性质也会不同。此外，中子还可用于对不同材料进行非常细致的分析。这种方法称为中子散射。这种测量在被称为中子源的特殊中子研究实验室进行。欧洲中子源（ESS）就是这样一个实验室，目前正在隆德郊外建造。该项目投资 20 亿欧元。ESS和其他中子源可以比作先进的显微镜，让科学家能够研究各种材料及其特性，直至原子级别。从研究原子结构、材料动力学、磁性到蛋白质功能，它们被广泛应用于各种领域。中子从原子核中释放出来需要巨大的能量。当中子在中子源中释放出来时，它们必须被捕获并被引向目标，也就是要研究的材料。特殊的反射镜用于引导和偏振中子。这些被称为中子光学。尽管 ESS 将拥有世界上最强大的中子源，但实验中可用的中子数量有限。为了增加到达仪器的中子数量，需要改进偏振光学。林雪平大学的研究人员通过在几个重要点上改进中子光学技术来提高效率，现在已经实现了这一目标。林雪平大学博士生 Anton Zubayer 观察磁控溅射过程。图片来源：Olov Planthaber"我们的镜子具有更好的反射率，从而增加了到达目标的中子数量。"物理、化学和生物系博士生兼《科学进展》（Science Advances）上发表的这篇文章的第一作者安东-祖拜尔（Anton Zubayer）说："镜子还能更好地将中子极化为相同的自旋，这对极化实验非常重要。"他继续说道："同时，由于不再需要大型磁铁，镜子可以放置在离样品或其他敏感设备更近的地方，而不会影响样品本身，这反过来又使新型实验成为可能。此外，我们还减少了漫散射，这意味着我们可以降低测量中的背景噪音。"技术创新与未来展望反射镜是在硅衬底上制造的。通过一种称为磁控溅射的工艺，可以在基片上镀上选定的元素。这种工艺可以在基板上镀上多层薄膜，即多层膜。在这种情况下，可以使用铁和硅薄膜，并与同位素富集的碳化硼混合。如果各层的厚度与中子波长的数量级相同，并且各层之间的界面非常光滑，那么中子就能以相位相交的方式从镜面射出，从而产生高反射率。林雪平大学物理、化学和生物系副教授 Fredrik Eriksson 和博士生 Anton Zubayer。图片来源：Olov Planthaber弗雷德里克-埃里克森认为，每一个中子都是宝贵的，中子光学效率的每一点提高都对改进实验非常有价值："通过增加中子的数量和反映更高的中子能量，为包括物理学、化学、生物学和医学在内的各个学科的开拓性实验和突破性发现提供了机会。"事实中子分析利用了中子既能像波又能像粒子的特性。反过来，这些中子可以具有两种不同的自旋。能够使用极化中子（即只有一种特定自旋的中子）主要对磁性研究非常重要。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

跨学科合作将看不见的暗物质变成看得见的光

跨学科合作将看不见的暗物质变成看得见的光 左侧星系团，右侧可见暗物质环。资料来源：NASA、ESA、M. J. Jee 和 H. Ford（约翰霍普金斯大学）为了揭开它的神秘面纱，科学家们进行了数次实验，但尽管科学家们进行了数十年的探索，仍然一无所获。现在，我们正在美国耶鲁大学进行的新实验提供了一种新方法。自古以来，暗物质就一直存在于宇宙中，将恒星和星系连接在一起。它无形而微妙，似乎不会与光或任何其他物质发生相互作用。事实上，它一定是一种全新的物质。粒子物理学的标准模型是不完整的，这是一个问题。我们必须寻找新的基本粒子。令人惊讶的是，标准模型的同样缺陷却为我们提供了新粒子可能藏身之处的宝贵提示。以中子为例。它与质子一起构成原子核。尽管中子总体上是中性的，但该理论认为它是由三个带电的组成粒子（称为夸克）构成的。正因为如此，我们会发现中子的某些部分带正电，而另一些部分则带负电这意味着它具有物理学家所说的电偶极矩。然而，许多测量它的尝试都得到了同样的结果：它太小了，无法被探测到，它又成了一个幽灵。我们谈论的不是仪器的不足，而是一个必须小于百亿分之一的参数。它是如此微小，以至于人们怀疑它是否可能完全为零。然而，在物理学中，数学上的"零"总是一个强有力的陈述。上世纪 70 年代末，粒子物理学家罗伯托-佩奇和海伦-奎恩（以及后来的弗兰克-威尔切克和史蒂文-温伯格）试图将理论与证据结合起来。他们认为，也许这个参数并不为零。相反，它是一个在宇宙大爆炸后慢慢失去电荷、演变为零的动态量。理论计算表明，如果发生了这样的事件，它一定会留下许多轻盈、诡异的粒子。因为它们可以"清除"中子问题，所以被冠以"axions"（一种洗涤剂品牌）之名。更有甚者。如果轴子是在早期宇宙中产生的，那么它们从那时起就一直存在。最重要的是，它们的特性符合暗物质的所有预期。由于这些原因，轴子已成为暗物质最受欢迎的候选粒子之一。轴子只会与其他粒子产生微弱的相互作用。然而，这意味着它们仍会发生一些相互作用。看不见的轴子甚至可以转化为普通粒子，包括讽刺的是光子，光的本质。在特殊情况下，比如存在磁场时，这种情况可能会发生。这对实验物理学家来说简直是天赐良机。许多实验都试图在实验室的受控环境中唤起轴子幽灵。例如，有些实验旨在将光转化为轴子，然后在墙的另一侧将轴子重新转化为光。目前，最灵敏的方法是利用一种名为"光镜"的装置，瞄准弥漫在银河系（进而地球）中的暗物质光环。它是一个浸没在强磁场中的导电空腔；前者捕捉我们周围的暗物质（假设是轴子），后者诱导其转化为光。其结果是在空腔内出现电磁信号，并根据轴子质量以特征频率振荡。该系统的工作原理类似于接收无线电。需要对其进行适当调整，以截取我们感兴趣的频率。实际上，腔体的尺寸会发生变化，以适应不同的特征频率。如果轴心和空腔的频率不匹配，就像把收音机调错频道一样。强力磁铁被移至耶鲁大学实验室。资料来源：耶鲁大学遗憾的是，我们寻找的频道无法提前预测。别无选择下只能扫描所有可能的频率。这就好比用一台老式收音机在茫茫白噪声中寻找一个电台大海捞针，每次转动频率旋钮都要变大或变小。然而，这些并不是唯一的挑战。宇宙学指出，数十千兆赫是轴子搜索的最新、最有希望的前沿领域。由于更高的频率需要更小的腔体，探索这一区域需要的腔体太小，无法捕捉到有意义的信号量。新的实验正试图寻找替代路径。我们的轴心纵向等离子体光镜（阿尔法）实验使用了一种基于超材料的新概念腔体。超材料是一种复合材料，具有不同于其组成成分的整体特性它们超越了各部分的总和。一个充满导电棒的空腔，在体积几乎没有变化的情况下，其特征频率仿佛小了一百万倍。这正是我们所需要的。此外，导电棒还提供了一个内置的、易于调节的调谐系统。目前，我们正在建设该装置，几年后就可以采集数据。这项技术前景广阔。它的开发是固态物理学家、电气工程师、粒子物理学家甚至数学家通力合作的结果。尽管轴子如此难以捉摸，但它正在推动着进步，任何幽灵都无法夺走它。作者：Andrea Gallo Rosso，斯德哥尔摩大学物理学博士后。改编自最初发表在《对话》上的一篇文章。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

云南天文台双中子星研究领域取得新进展

云南天文台双中子星研究领域取得新进展 双中子星系统示意图。图片来源：云南天文台南京大学郭云浪博士与中国科学院云南天文台王博研究员等人，对形成双中子星系统的电子俘获超新星通道作了系统研究，给出了该通道下形成双中子星系统的初始参数空间，发现该参数空间中的氦星伴星质量和最小初始轨道周期，随着金属丰度的增加而增加。同时，通过考虑氦星伴星在塌缩成中子星时受到的反冲速度，研究了该通道下形成双中子星系统的特征。他们发现小于50公里每秒的低反冲速度，能够解释观测上大多数的双中子星系统特征。此外，通过考虑氦星表面的残留氢包层，该团队还发现中子星在双星演化过程中能够从伴星上吸积更多的物质，从而达到更快的转速。 ... PC版： 手机版：

中国建成世界最大最深的暗物质实验室

中国建成世界最大最深的暗物质实验室 中国锦屏地下实验室（CJPL）自2010年投运，经过三年修建，中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）于2023年12月投入科学运行。其33万立方米的超大空间超过了之前深度和体积的纪录保持者意大利的格兰萨索国家实验室（LNGS）。更大的空间让粒子和天体物理氙探测实验（PandaX）和中国暗物质实验（CDEX）这类项目可以再次升级。芝加哥大学的物理学家Juan Collar说：“他们在十年内完成的工作令人赞叹。”暗物质一直是科学界的一个谜。物理学家经过计算发现，可见物质产生的引力太弱，无法阻止快速移动的星系飞散。因此，他们提出理论，认为暗物质就像不可见的胶水，把整个宇宙黏在一起。虽然暗物质理应无处不在，但事实证明直接观测到暗物质很难，因为理论上暗物质与普通物质不会相互作用，也不会释放、反射或吸收光。之前有人提出探测到了暗物质，但反驳观点认为，这些实验可能受到了其他信号的混淆。科学荣誉等候着第一个探测到暗物质的人，这也是粒子物理学的最大任务之一，在CDEX合作组工作的台湾中央研究院的物理学家Henry Tsz-King Wong说道。山下之光寻找暗物质的最佳场所是地下，因为岩体能替探测器挡掉背景“噪音”，比如从太空向地球洒落的高能粒子宇宙射线就会淹没潜在的暗物质信号，意大利国家核物理研究院的物理学家Marco Selvi说，想从地球表面探测暗物质就像在一个人声鼎沸的体育场里辨认一个小孩发出的微弱声音。在深地环境下，CJPL-II 的宇宙线通量仅为地表的0.000001%，使其成为世界上屏蔽效果最好的地下实验室之一。实验室的墙体还包裹了由橡胶、混凝土等材料混合而成的10厘米厚的保护结构，能防止周围岩体释放的水和放射性氡气，以免暗物质探测实验受到干扰。实验室的研究团队已经在利用新增的空间了。在CJPL-II施工期间，PandaX团队将其探测器从120公斤液氙升级到4吨。当潜在的暗物质颗粒与氙原子发生碰撞，其能量就会转变成能被光电传感器探测到的闪光。该探测器很快将赶上LNGS的XENONnT实验（8.6吨）以及美国桑福德地下研究所的LUX-ZEPLIN实验（7吨）。PandaX-4T探测器位于一个900立方米的水池中，这是为了能进一步屏蔽杂散粒子的干扰，团队成员、上海交通大学物理学家周宁表示，“灵敏度提升后，我们就能用探测器测试不同类型的相互作用。”该团队最终想要打造一个40-50吨的氙探测器，有望与以40吨为目标的达尔文实验（DARWIN Experiment）相抗衡。与此同时，CDEX团队也在部署一台锗探测器，锗探测器能寻找比氙实验寻找的质量更小的潜在暗物质粒子，CDEX团队成员、北京清华大学物理学家岳骞说。CDEX探测器已经从1公斤锗升级到10公斤锗，并计划打造一个1吨量级的探测器阵列。如果一个暗物质粒子撞到了这个探测器，其相互作用就应产生电荷，这个电荷会转换为电信号。岳骞希望CDEX能吸引更多国际合作，目前已经有印度和土耳其的研究人员加入。Selvi说，虽然各国对暗物质的搜寻非常激烈，但世界上多个地下实验室共同开展相似实验能让研究人员比对结果。2022年，PandaX团队便使用一种类似手段确认了LNGS的XENON 实验的结果该实验发现2020年XENON探测到的一个意外信号来自背景噪音而不是暗物质。Collar认为，新的方法和理论也将推动暗物质的研究，而不是用更大更灵敏的探测器打败对手。他说，“已经有很多重复的版本了。”周宁说，下一个十年里，CJPL-II团队将继续提升探测器的灵敏度。他也希望全球暗物质研究社区能共享数据并将CJPL-II的数据与他们自己的数据结合。他说：“我们还有很多工作要做。” ... PC版： 手机版：