引力波的源頭，終於出現在視線中，一圖讀懂它和你有什麼關係

傳言終獲證實。北京時間10月16日22點，激光干涉引力波天文台（LIGO）科學合作組織和處女座引力波探測器（Virgo）合作組織聯合召開發布會，宣布再次探測到時空的漣漪。

這是人類第五次探測到引力波。然而科學界的興奮之情甚至不亞於第一次探測到引力波時。因為與之前被探測到的四個引力波信號不同，這次探測到的引力波信號GW170817來自1.3億光年外兩顆併合的中子星，而且科學家第一次同時觀測到了引力波及其電磁對應體，以及科學家預言的巨新星現象。

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迄今最強的引力波信號

「這是我們迄今觀測到強度最強的引力波信號，比第一次觀測到的雙黑洞引力波信號要強得多。」LIGO科學合作組織爆發源分析組聯席主席、英國格拉斯哥大學教授、北京師範大學特聘外國專家Ik Siong Heng表示，它與之前的雙黑洞繞轉產生的引力波信號非常類似，但持續時間更長。「探測器中GW170817信號持續時間超過1分鐘，之前的雙黑洞併合引力波信號只有1秒左右。」

雙中子星併合過程中的物質拋射和噴流形成數值模擬

8月17日，LIGO與Virgo的三台探測器先後接收到引力波信號GW170817。在探測到引力波信號GW170817後的1.7秒，美國國家航空航天局（NASA）的費米衛星探測到了一個伽馬射線暴GRB170817A。在之後不到11個小時之內，位於智利的Swope望遠鏡報告在星系NGC4993中觀測到明亮的光學源。在接下來的幾個星期里，無數望遠鏡將目光對準這片天區，記錄下這一事件發生之前100秒至之後幾個星期的信號。

「最初GW170817信號到達時，LIGO位於美國路易斯安那州利文斯通的探測器數據中存在雜散雜訊。根據這些雜訊的特徵，我們將它從分析中扣除了。」Ik Siong Heng說，此後研究人員確認在此期間沒有人為的模擬信號注入，那些信號確實來自遙遠的天體。

根據這些記錄，科學家復原出故事發生的過程：在距離地球1.3億光年的長蛇座星系NGC4993中，兩顆中子星互相繞轉。在併合前約100秒時，它們相距400公里，每秒鐘互相繞轉12圈，並向外輻射引力波。它們越轉越近，直至最終碰撞在一起，形成新的天體，並發出電磁輻射。

雙中子星併合後發出短伽瑪暴和巨新星輻射的示意圖

中子星是恆星演化末期形成的一類緻密天體。雖然它的半徑只有十幾公里，質量卻與太陽相當。中子星到底有多硬？其內部物質以何種狀態存在？這些一直是科學家感興趣的問題。

根據觀測到的引力波信號，科學家估算出兩顆中子星的質量、半徑，並對其密度給出了保守的限制，幫助排除了那些對於中子星密度估計過低的理論模型。「引力波信號GW170817的演變，尤其是接近併合階段的信號演變，受到中子星自身性質的影響。如果中子星更緻密一點，或者更稀鬆一點，引力波的信號都會不同。」Ik Siong Heng說。

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期待中的電磁對應體

「這個結果來得太快，本以為要在2020年左右才能觀測到第一例雙中子星併合。」中科院紫金山天文台研究員吳雪峰在接受科技日報記者採訪時難掩興奮。

與雙黑洞併合不同，雙中子星併合過程不僅向外輻射出引力波，還會在多個波段發出電磁輻射，從而被望遠鏡觀測到。那些在發出引力波同時，又被望遠鏡觀測到的天體被稱為引力波的電磁對應體。

天文學家為何對引力波的電磁對應體如此感興趣？「引力波都是一次性的，無法重複觀測。其電磁對應體則不是這樣。」北京師範大學天文學系副教授高鶴解釋說，「此外引力波信號自身存在一定缺陷，比如信號十分微弱，信號源的定位誤差非常大，僅僅利用引力波探測無法確認信號來自哪裡。」 高鶴說，電磁波段是目前發展最完善、理論研究最透徹的觀測窗口，也是現有探測手段與探測儀器最豐富的窗口。「只有實現了引力波與電磁波的聯合探測，才可以證認引力波源的天體物理起源，並對其天體物理性質開展進一步的研究。」

激光干涉引力波天文台（LIGO）

LIGO與Virgo的探測目標是恆星級緻密天體，也即黑洞、中子星之間併合發出的引力波。在這一探測範圍內，雙中子星併合、中子星與黑洞併合被認為是可能的引力波電磁對應體候選者。在LIGO發展的早期，雙中子星併合曾被認為是引力波觀測的首要目標。

在8月17日探測到的併合中，科學家尚不清楚，最終是形成了更大質量的中子星，還是黑洞。但已知的是，新天體的質量約為2.74倍太陽質量，而在這個過程中損失的質量，主要轉化成引力波和電磁波，輻射向宇宙各個方向。

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找到金銀等元素誕生地

科學家對這次觀測興奮不已，還因為觀測將雙中子星併合與短伽馬射線暴直接聯繫在一起，並首次觀測到巨新星現象，讓科學家能夠深入了解雙中子星併合的物理過程。

所謂伽馬射線暴，是天空中某一個方向伽馬射線輻射突然增亮的現象。根據伽馬射線暴時間長於或短於2秒，可分為長暴與短暴。科學家認為，長伽馬射線暴與大質量恆星塌縮形成黑洞的過程相關，短伽馬射線暴則源自雙中子星併合或中子星與黑洞併合。前者已被大量觀測所證實，後者卻一直沒有找到直接觀測證據。

巨新星則是1998年北京大學教授李立新（當時為普林斯頓大學博士生）與普林斯頓大學已故教授Bodhan Paczynski合作提出的構想。「雙中子星併合時向外拋射的物質會通過快中子過程形成金、銀等重元素，並形成光學和近紅外輻射。」 李立新說，這些輻射現象比超新星的亮度暗100倍，比普通新星亮1000倍，被稱為巨新星或千新星。

在此次觀測中，科學家捕獲了引力波信號、短伽馬射線暴信號以及光學信號。後續分析證明這些信號互相關聯，均來自中子星併合。我國在南極大陸安裝的南極巡天望遠鏡AST3也捕獲了併合的光學信號。

「有多名學者對巨新星理論進行過完善，這次的觀測結果非常吻合完善後的理論構想。」李立新說。

「8月份，南極的冬天剛剛過去，目標天體的地平高度較低，每天有2個小時左右的觀測時間。8月18日起，我們進行了10天的觀測，獲得了目標天體的91幅圖像，並最終得到目標天體的光變曲線，與巨新星理論預測高度吻合。」吳雪峰表示。

2013年以來，科學家已經發現多個巨新星候選體。「它們之所以只能被稱為候選體，是因為只有一兩個光學信號點，並沒有獲得光變曲線，特別是沒有同時觀測到引力波，用以佐證它們來自雙中子星併合。」吳雪峰說。

「理論上所有雙中子星併合都會形成巨新星。但通常它們比較暗弱，因此能不能看到取決於它們與我們的距離。」李立新說，幸運的是，這兩顆中子星離我們並不遙遠。

「目前觀測到的雙中子星併合引力波相對來說都比較近，因此能為天文學家尋找巨新星提供參考。」Ik Siong Heng說。而在伽瑪暴研究方面，引力波能提供雙中子星及併合物的質量、自旋等信息。「這些基本特徵能讓天體物理學家構建模型，解釋觀測到的伽瑪暴輻射。」

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檢驗宇宙規律的新信使

引力波與電磁波攜帶著天體不同類型的信息。引力波及其電磁對應體的發現，有助於科學家結合不同信息研究天體的性質，並檢驗宇宙的基本規律。

例如哈勃常數，它是衡量宇宙膨脹速度的重要參數。目前，可通過測量Ia型超新星、重子聲波震蕩、宇宙微波背景等多種方式得到其數值。然而，隨著探測精度的提高，測量值的分歧越來越明顯。例如通過測量臨近Ia型超新星得到的哈勃常數數值，明顯大於普朗克太空衛星通過宇宙微波背景觀測得到的哈勃常數數值。引力波及其電磁對應體的發現，將提供測量哈勃常數的獨立渠道。「可以通過引力波波形得出波源的距離，由電磁波對應體提供紅移信息，根據距離紅移關係測量哈勃常數。」北京師範大學天文系教授朱宗宏說。

在最新的觀測中，LIGO科學合作組織進行了這個嘗試，得出的哈勃常數數值為70公里/(秒·百萬秒差距)。「由於測量過程需要用到引力波的波形信息，目前這一測量並不準確。」朱宗宏說，「未來結合引力透鏡方法，有望將哈勃常數的誤差限制在1%之內，這個精度遠高於目前光學波段的測量精度。」

註：文中圖片除註明外均來自網路

編輯：王小龍

審核：管晶晶