人類首次觀測到「雙中子星併合」引力波！南京紫金山天文台聯攜手全球70家機構聯合發布

北京時間 10 月 16 日 22 點，諾獎之後，LIGO 領域再次迎來了一枚重磅新聞！LIGO/Virgo 引力波天文台和位於中國的南京紫金山天文台、位於德國的歐洲南方天文台以及美國的 NASA 等 70 多個合作天文機構同時召開新聞發布會，宣布了人類歷史上第一次觀測到了「雙中子星併合」所引發的引力波。

不同於此前 LIGO 裝置觀測到的 4 次由雙黑洞融合所引發的引力波事件，此次的全新觀測結合了費米望遠鏡（伽馬射線）、錢德拉太空望遠鏡（X 射線）、甚大望遠鏡（光學和紅外）、哈勃望遠鏡（光學和紅外）和阿塔卡瑪望遠鏡（毫米/亞毫米波陣列）等多種全球知名望遠鏡的觀測結果，囊括了從可見光、射電波段到伽瑪射線等不同的電磁波段。

在美國東部時間 8 月 17 日 8 時 41 分（北京時間 20 時 41 分），LIGO 捕捉到這個引力波信號後僅僅 2 秒，美國費米伽馬射線望遠鏡就觀測到了同一來源發出的伽馬射線暴。這是人類歷史上首次使用引力波天文台和電磁波望遠鏡同時觀測到同一個天體物理事件，標誌著以引力波天文學和傳統天文學緊密合作為代表的多信使天文學（Multi-messenger astronomy）時代已經到來。

美國加州理工學院 LIGO 數據分析小組負責人艾倫·溫斯坦教授說，「幾十年來我們一直努力搜尋雙中子星併合所引發的引力波，那天我們終於夢想成真。」美國田納西大學天體物理學教授邁克爾·吉德里說，「多信使天文學結合使用多種探測手段，將開啟天文學和天體物理許多領域的探索新途徑。」

值得一提的是，我國的首顆空間 X 射線天文衛星——慧眼 HXMT 望遠鏡和中國南極崑崙站南極巡天望遠鏡 AST3 合作團隊運行的第 2 台望遠鏡 AST3-2 也檢測到了此次引力波。

圖丨慧眼 HXMT 望遠鏡

其實，早在今年的 8 月 23 日，《Nature》雜誌就提前透露了此次發布會的重要內容。文章中寫道，雖然雙中子星併合與此前的雙黑洞融合都屬於緻密天體的旋進併合，但二者之間有著顯著的區別：那就是黑洞是能量結構，融合時並沒有電磁波釋放出來，且持續時間不超過 1 秒鐘，這也就造成了觀測非常困難，只能利用 LIGO/Virgo 這樣的高精度的裝置才能探測到；而中子星是物質結構，併合時會釋放出十分巨大的電磁波能量，持續時間可以達到 1 分鐘，諸多傳統的觀測手段都可以「一覽奇景」。

圖丨伊利諾伊大學香檳分校所做的兩顆中子星合併事件的模擬（白色的是磁力線）

而也正是在《Nature》的這篇文章發布前的不長的一段時間之內，全球範圍內的明星望遠鏡都對一個名為 NGC 4993、距離地球 1.3 億光年的星系進行了密集的觀測，從而證實了此次「雙中子星併合」現象的存在。

8 月 17 日，美國費米伽馬射線望遠鏡的伽瑪射線暴監測器觸發了 GRB 170817A 伽瑪射線暴事件。而雙中子星併合恰巧就是會引起伽瑪射線暴正的原因之一；

8 月 18-19 日，歐洲南方天文台甚大望遠鏡、阿塔卡馬毫米/亞毫米波陣列望遠鏡也對 NGC 4993 進行了觀測；

8 月 19 日，錢德拉 X 射線太空望遠鏡也有觀測活動，並標記為「SGRB170817A」（SGRB 即為短伽瑪射線暴）；

8 月 22 日、29 日，哈勃望遠鏡也對 NGC 4993 總共進行了四次觀測。

甚至華盛頓大學的 Peter Yoachim 和德克薩斯大學奧斯汀分校的 J. Craig Wheeler 還在 Twitter 上提前「泄露」出了此次重大發現。

而此次「雙中子星併合」事件之後，人類不僅可以據此更好地驗證愛因斯坦的廣義相對論，也可以為中子星的起源提供更多線索。引力波的細節還可以解開中子星內部結構的奧秘，以及搞清兩顆中子星合併之後到底是形成了一顆新的中子星，還是一個新的黑洞。甚至還可以解開地球上黃金的由來。

此外，伽馬射線暴自身也是一個重要發現。大多數伽馬射線暴都發生在距離以 10 億秒差距計（1秒差距≈3.261 光年）的遙遠太空，而 NGC 4993 星系距離地球僅僅 1.3 億光年。根據賓夕法尼亞州立大學天體物理學家德雷克·福克斯（Derek Fox）的說法，這可能是人類迄今為止觀測到的距離最近的伽馬射線爆發。而此次事件中的伽馬射線暴的強度較高，它也驗證天文學家幾十年前提出的猜想，即伽馬射線暴跟中子星碰撞有關。

眾所周知，引力波是愛因斯坦廣義相對論最後一塊「拼圖」。100 多年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在，時空的概念也顛覆了大多數人的物理常識。

廣義相對論認為，大到天體，小到人類本身，在它們運動時，都會使周圍的時空產生漣漪。這是很容易理解的一個概念，就像船在水中移動時會產生水波。只是在發現引力波之前，這一理論還從未被驗證過。

LIGO 裝置在 2015 年 9 月、12 月和今年 1 月先後 3 次探測到引力波；今年 8 月，LIGO 和 Virgo 裝置又共同探測到了引力波。在這四起引力波事件中，科學家們發現，恆星質量級雙黑洞系統一旦融合，其質量將至少會是太陽的 20 倍。這比以前通過傳統的 X 射線所探測到的黑洞質量要大得多。觀測結果也確實驗證了科學家們的預測：四次黑洞融合後形成的新黑洞質量分別為太陽的 62 倍、21 倍、49 倍、53 倍。

圖丨LIGO 所發現的黑洞質量（藍色）遠遠比以前僅憑X射線（紫色）所探測到的黑洞質量大得多

不過，由於引力波是由黑洞融合所產生的宇宙漣漪，並不會產生任何形態的光，所以對於引力波觀測來說，傳統天文望遠鏡可能並沒有太大作用。但這一次，多地、各類型望遠鏡觀測到了「雙中子星併合」現象，也揭示著藉助多種觀測手段的「多信使天文學」（multi-messenger astronomy）時代的到來。

值得一提的是，作為物理學界里程碑式的重大成果，引力波的發現還贏得了今年的諾貝爾物理學獎，3 位美國科學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C. Barish）和基普·S·索恩（Kip S. Thorne）獲此殊榮，以表彰他們發起和領導了「激光干涉引力波天文台」（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）項目，並在將理論及實驗物理學應用於宇宙研究領域做出了重大貢獻。