引力波重磅發現第二季：「從此，人類終於耳聰目明了」

引力波重磅發現第二季：「從此，人類終於耳聰目明了」原創知識分子2017-10-16 22:21

編者按：

10月16日晚，全球天文學界聯合發布一項重大發現：人類首次直接探測到了由雙中子星併合產生的引力波及其伴隨的電磁信號。用天體物理學家張雙南的話來說，「人類不但聽到了天體結合發出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發的煙花！」

從此，在浩淼的宇宙面前，「人類終於耳聰目明了」。

從愛因斯坦預言引力波到一百年後科學家接力發展高精度探測技術，在最近的兩年間連續數次、不僅「聽到」、而且「看到」引力波的存在，一切皆如預言般精準和完美，這是人類智力運行的巔峰之作，一首科學的讚歌。

在這項創造天文學歷史、具有人類學意義的重大發現中，我們也看到中國科學家躋身在列，做出了重要工作。其中不僅有一直沒有缺席引力波探測國際合作的清華大學LIGO工作組，而且，剛剛發射運行的中科院「慧眼」天文衛星在同一時間觀測到了此次引力波事件，並迅速發布了觀測結果，110位慧眼團隊科學家由此加入全球將近一千個單位的三千多位作者聯合「寫作」的歷史性論文中。中國南極巡天望遠鏡也在同時捕獲此次引力波事件的光學信號，相關分析結果發表在中國期刊《科學通報》英文版Science Bulletin上（詳見文末報道）。

撰文 | 呂浩然

責編 | 李曉明

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

北京時間2017年10月16日晚10時，LIGO-Virgo科學合作組及全球各主要天文台同步發布重大天文學發現：首次直接探測到了由雙中子星併合產生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號，正式編號——GW170817。

此次發現也標誌著人類歷史上第一次使用引力波天文台和其它望遠鏡同時觀測到了同一個天體物理事件，開啟了期待已久的多信使天文學的新窗口，引力波天文學也為理解中子星的性質提供了電磁天文學單獨所不能實現的新機會。

據悉，此次發現是由位於美國激光干涉引力波天文台（LIGO）分別位於華盛頓州的漢福德及路易斯安那州的利文斯頓的兩台探測器和位於歐洲的室女座干涉儀（Virgo）引力波探測器，以及來自全球各地的70個地面及空間望遠鏡共同完成的。其中，南京紫金山天文台、清華大學LIGO工作組、中國科學院高能物理研究所等國內多個研究機構組成的科研合作團隊也參與了此次探測。

時間倒流：2017年8月17日，一段「特別長」的信號

相較於之前LIGO及Virgo已經探測到的四次來自雙黑洞的引力波信號，此次發布的探測結果在很多方面都有所不同。

時間回到2017年8月17日。

就在三天之前，LIGO-Virgo首次聯合探測到了雙黑洞併合所產生的引力波（GW170814），這是繼Virgo在8月1日加入到合作探測之後的首次捕獲。

北京時間8月17日晚8點41分零4秒，一段很強的引力波信號被定位於約2度寬15度長覆蓋28平方度的一個橢圓的區域（被稱為「誤差橢圓」，看上去大約是一臂距離外一個香蕉的形狀和大小）的一台LIGO探測器捕獲，從而實時反饋到了LIGO的實時數據軟體中。

不到2秒之後，美國宇航局費米空間望遠鏡（Fermi）的觀測到了一個伽瑪暴信號（GRB170817A）。

LIGO-Virgo的分析軟體通過比較兩信號得出結論：這不太可能只是一個巧合！另一個自動分析結果表明：另一個LIGO探測器也探測到了一致的引力波信號（GW170817A）。值得一提的是，此次的引力波信號在兩個LIGO探測器的頻譜中都清晰可見，但在Virgo中卻不然。這恰恰是空中定位的很重要的一點。

對每個探測器而言，總有某個天空區域，來自那裡的信號不容易被探測到。兩個LIGO探測器中輕易可見而Virgo卻觀測不到的現象也意味著，此次信號來自天空中的某個位置，Virgo在那一刻剛好很難探測到那片區域。這一事實也對後續定位起到了至關重要的作用。

圖1：這些圖顯示了GW170817信號在每個LIGO和Virgo探測器中的頻譜。水平軸是時間，豎直軸是頻率。雙星的「啁啾」信號從左側靠低處開始，提升至右側的陡峭曲線。「短時雜訊干擾」已經從LIGO利文斯頓探測器頻譜中消減，因而並不在圖中顯示。

與之前已經捕獲的4次引力波信號不同，此次探測到的引力波信號持續時間非常長，達100秒之久（之前的信號在LIGO探測器的敏感頻段內只能持續不到一秒的時間），並且掃過了LIGO的整個靈敏頻段——這個頻段與一個普通樂器能產生的聲波頻段幾乎相同。

以LIGO-Virgo合作組的快速引力波探測分析以及費米望遠鏡的伽馬暴探測為起點，世界範圍內的各望遠鏡相繼啟動觀測。

在GW 170817發布警報的時候，其空間位置正對著澳大利亞的上方，但是南非和智利的望遠鏡也同時在觀測。在智利黑夜的最初幾個小時里，Swope望遠鏡在星系NGC 4993里認證出了一個光學瞬變源（SSS17a）；在接下來的兩個星期里，地面望遠鏡和太空望遠鏡組成的陣列從紫外、光學、近紅外等波段追蹤著最初的探測。

而來自中國的「慧眼」衛星也第一時間對這一起引力波事件進行了觀測，守夜的科學家團隊立刻進行了幾乎實時的數據分析。

最終，來自全球各地的70架地面及空間望遠鏡探測到了許多來自這一事件的鄰近NGC4993星系的衰退的光信號。一場關於這場結合使用電磁波（光學）和引力波的「多信使」觀測運動徐徐展開。

時間再倒流：1974年「四選一」，為什麼選雙中子星系統？

1974年，馬薩諸塞大學的羅素·胡爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）使用波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡發現了著名的赫爾斯-泰勒（Hulse-Taylor）脈衝雙星PSR 1913+16。到目前為止，射電天文學家們已經繪製了40年它的軌道曲線，顯示著這兩顆星體正慢慢互相旋近。在大約3億年後，赫爾斯-泰勒脈衝雙星將會併合，併產生一個類似於GW170817那樣的信號。

那麼，天文學家們是如何確定GW170817出自兩顆中子星併合呢？

就目前已有的探測手段及能力來看，科學家們僅能探測到四種系統併合所產生的引力波：黑洞-黑洞併合、超新星不對稱爆發、黑洞-中子星併合以及中子星-中子星併合。LIGO於2016年2月11日首次探測到的引力波即屬於黑洞-黑洞併合系統產生的。

引力波的波源取決於系統的天體屬性，每個源都會產生不同的引力波信號。重要的屬性包括單個物體的質量、自旋的速度、被擠壓形變的難易度、雙星軌道的大小、軌道相對視線的傾角等等。所有這些屬性結合起來將決定引力波信號的總體形狀、強度和每一刻的變動。引力波天文學家們極盡所能測量信號中的變化，然後反推出天體源的各種屬性。

然而，雙黑洞併合所產生的光學對應體極少，科學家們只能通過LIGO/Virgo的激光干涉探測器探測到引力波，但是相應的光學信號，即光學對應體需要地面及空間望遠鏡來觀測。這也是為什麼今天之前，有人形容人類探測引力波處於「非聾即瞎」的階段：我們能夠「聽到」（能探測到）引力波，但卻看不到（可觀測到）相應的光學信號。

而超新星不對稱爆發所產生的光學對應體只有在它距離地球比較近時（銀河系內）才能觀測到。因此，選定範圍僅剩黑洞-中子星併合與雙中子星併合兩個選項。

最終，科學家們首次利用多信使探測去確認引力波的波源。

圖2：引力波、伽馬射線和可見光的位置。左邊的小格子展示了90%置信區間投影區域，分別來自LIGO（淺綠色），LIGO-Virgo（深綠色），來自費米與INTEGRAL時間延遲得到的三角定位（淺藍色），費米GBM（深藍色）。放大圖展示了宿主星系NGC4993的位置，包括了來自併合後10.9小時的Swope光學發現圖片（右上方）與在併合20.5天前的圖片（右下方）。

所謂多信使觀測是指通過引力波、電磁波、高能宇宙線、中微子中的兩個或多個進行聯合觀測的方法。這次引力波事件也標誌著第一次引力波的多信使探測：同時進行引力波和電磁波探測的成功。

在從引力波和伽馬信號認證出來的空間區域內，世界各地的望遠鏡傾盡全力開展了與源相關的後續觀測。在不同的電磁波波段和中微子渠道上，有許多至關重要的觀測。圖2展示了各類觀測的時間線。多波段的觀測對於這一發現的科學內涵的豐富性居功至偉。

圖3：GW170817，GRB170817A，SSS17a/AT2017gfo發現的時間線，以及以信使、波長和相對於引力波信號時間排列的後續觀測。對於每一個波段或信使都顯示了兩種信息。首先，陰影區域代表了在GCN通告里報告的時間。每行開頭展示著對應的作者。其次，帶圓圈的實線標誌著該源在對應波段至少被探測到一次。圓圈的大小大致由星等校準。

這些觀測仔細監視著信號的頻譜能量分布，揭示著這一特殊的電磁對應體是一個千新星（kilonovae）。此次觀測也堅定地將千新星和雙中子星併合聯繫起來，為「千新星來源於中子星併合階段，通過中子俘獲形成的重元素的放射性衰變的這一一物理圖景」提供了可靠證據。

通過對8月17日探測（觀測）到的信號及光學對應體進行分析，LIGO-Virgo合作組最終得知，雙中子星系統中單個星體的質量在0.86個太陽質量到2.26個太陽質量之間。這些質量值都和目前已知的所有中子星質量範圍相符合，這也是科學家們認為此次引力波事件出自一個雙中子星系統的原因之一。

從GW170817的信號中，科學家們也模擬了雙中子星併合的場景：在兩星併合前的大約100秒，它們相距400公里，卻在每秒內相互環繞12圈。每轉一圈，引力波的輻射就會迫使它們越發接近。隨著軌道的收縮，它們相互環繞的速度越來越快，引力波的強度和頻率也不斷增加。軌道的逐漸收縮過程被稱為「旋近（inspiral）」，而頻率的提升被稱作「啁啾（chirp）」信號。這一過程逐漸加快直到雙星併合而形成單個遺迹。

此外，從此次引力波信號得出的光度距離是40百萬秒差距（約1.3億光年），與NGC 4993星系的距離相符合。

值此，天文界作出了又一重大發現，人類對宇宙的探索與認知向前邁進了一大步。

《知識分子》邀請到了引力波研究相關領域的專家，就此次雙中子星併合引力波事件發表評論：

面對宇宙，人類不再是非聾即瞎

400多年前伽利略發明了天文望遠鏡，從此，遠在天邊的宇宙天體就變成了近在眼前。2016年2月11號美國的激光干涉引力波天文台宣布聽到了兩個黑洞結合在一起發出的聲音，人類也能夠聽到宇宙的聲音了！然而，這一次，人類不但聽到了天體結合發出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發的煙花！耳聽為虛，眼見為實！從此，人類終於耳聰目明了！

整個天文界都沸騰了，難道僅僅是因為欣賞了一場史無前例的音樂會和煙花表演飽了眼福？並不是！從此，耳聰目明的天文學家可以詳細研究中子星內部的物質到底是什麼，真的是一堆中子還是一團夸克物質？用引力波作為「標準燭光」替代超新星，是否會得到一幅不同的宇宙演化圖像？愛因斯坦說了引力波的速度是光速，真的是這樣嗎？一個嶄新的天文學、物理學和宇宙學的交叉前沿研究領域在一片驚呼中就這樣誕生了！

我感到自豪的是，今年（2017年）6月15號發射運行的慧眼天文衛星也參加了這個創造了天文學歷史的全球大聯測！我和同事們那天（2017年8月17號）夜裡用慧眼衛星對這個事件進行了觀測和幾乎實時的數據分析，迅速發布了觀測結果！（我還因為在辦公室打了個盹而小小地感冒了一場！）因為慧眼衛星的貢獻，慧眼團隊110科學家帶著慧眼的結果加入了這個「天文記錄」（全球將近一千個單位的三千多個作者）的歷史性論文。

——張雙南，中科院高能物理研究所所研究員

發現雙中子星併合的歷史性論文的截圖：中國慧眼團隊的作者名單。

發現雙中子星併合的歷史性論文的截圖：中國慧眼團隊的致謝。

最期待引力波探測為暗能量研究帶來突破

雙中子星併合的信號強度本應弱於雙黑洞併合，這也說明此次雙中子星系統距離地球比較近。根據發布的結果，此次的事件距地球1.3億光年，又伴有電磁對應體，信號時間又較長，這對引力波的細節研究幫助會非常大。Virgo的加入也使得合作組可以利用距離效應有效扣除系統誤差。

來自中國等國的望遠鏡的加入，也從光學探測的角度加入到了探測中，對LIGO和Virgo起到了輔助的作用。

還應看到，此次發現系技術進步帶來的天文與物理觀測進展，雖然不可能顛覆已有理論，也不會有新物理產生。但多信使探測手段有助於對天體物理事件做精細的研究，甚至在未來為宇宙學探究打開新的窗口。我最期待引力波探測為暗能量研究帶來突破。

——李淼，中山大學天文與空間科學研究院院長

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物理天文航空航天黑洞

重大發現！人類首次 「看到」 引力波事件中國慧眼衛星做出重要貢獻

22:03:00人民日報客戶端-吳月輝

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布會,宣布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射線天文衛星——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製做出了重要貢獻,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射線天文衛星——慧眼HXMT望遠鏡,於2017年6月15日在酒泉衛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,包括這次宣布的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望遠鏡衛星

　　中國科學技術大學物理學院教授蔡一夫說:「簡單說,引力波電磁對應體是指來自同一個天體現象伴隨著引力波同時產生的電磁信號。」

　　熊少林說:「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,正式開啟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、時間解析度最好,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。」熊少林說,「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暗弱,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」衛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日從酒泉衛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年宣布探測到引力波之後,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。

　　熊少林說:「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。」

全球天文台沸騰！新的引力波或被探測到，系人類史上首次原創中國氣象愛好者2017-10-15 20:02

南京紫金山天文台：北京時間下周一晚10點，將會與NASA聯合發布重大消息。

歐洲南方天文台：北京時間下周一晚10點，將會發布重大消息。

清華大學 LIGO 工作組：北京時間下周二上午，將會發布重大消息。

澳大利亞 OzGrav 團隊：北京時間下周二上午，將會發布重大消息。

據估計，全球還有數十家天文機構將準備發布重大消息。這是要幹嘛？我們頭頂的蒼穹里，究竟發生了什麼驚天動地的大事？讓世界各大天文台趨之如騖？

紙里的火自然包不住，天文學界已經做出了迎接大新聞的準備，這個事情也越來越變得明朗——它是引力波，或許你會疑惑，引力波不是都發現好幾年了嗎？天文學界是要「重新定義」引力波嗎？這一次到來的，或許是天文學界的新時代：中子星合併。

一直以來，科學家們觀測到的引力波都是源於黑洞合併，這些年發現的引力波都是如此。黑洞與黑洞併合產生引力波，這類事件現在基本上只有搞引力波的那群人感興趣了。但前些天德州大學奧斯汀分校的著名天文學家J. C. Wheeler放出了一些蛛絲馬跡——人類可能首次探測到了由中子星合併產生的引力波。

中子星是恆星演化到末期，經由重力崩潰發生超新星爆炸之後，可能形成的特殊天體之一。它是質量沒有達到可以形成黑洞的恆星，在壽命終結時塌縮形成的一種介於白矮星和黑洞之間的星體，其密度比地球上任何物質密度大相當多倍。與黑洞不同，中子星是可以被觀測到的。因此，中子星的併合是一項不同於黑洞碰撞的事件。

兩個中子星的併合，或者一個中子星和一個低質量黑洞的併合，長久以來一直被認為是短伽馬射線暴的製造者。而短暴起源於雙星系統的決定性證據就是引力波探測器。一個併合中的雙星系統會發出獨特的引力波。如果在伽馬射線暴發生的同時探測到引力波，那將是人類伽馬暴研究中具有里程碑意義的。

更重要的是中子星併合或中子星與黑洞併合所產生的引力波信號可以揭示中子星的構造，同時能夠幫助我們確定碰撞後的合併產物。並且這是我們第一次將傳統的天文學與引力波天文學結合了起來。就像打開了新世界的大門。

同時，中子星的合併過程會甩出一部分物質。這部分物質會產生極其豐富的物理現象。其中一部分成為吸積盤（環），與黑洞構成一個系統，產生噴流（速度接近光速），形成時間不超過2秒的伽瑪暴（短暴），噴流掃除周圍物質，會形成x、光學、射電等多波段的餘輝。

還有一部分被甩出去的中子星物質會徹底逃逸，速度為光速的0.1到0.3倍，質量為太陽千分之一到十分之一倍，這部分富含中子的物質會迅速形成一團放射性物質。這些放射性通過衰變和裂變等過程，釋放能量，將自身加熱成紅熱化狀態，發出紅外線、紅光為主的輻射，類似於超新星，但亮度比超新星低，比「新星」高一千倍左右，因此被稱為」千新星」。千新星在2013年被哈勃太空望遠鏡首次發現，與一個短伽瑪暴同時同地出現。

關於這一次的天文學界大事件，有消息指出，伴隨中子星合併產生的千新星和伽瑪暴也都分別被探測到了，這是人類首次接觸到類似事件，因此，如你所見，天文界的狂歡即將到來。

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