歡呼！為1.3億光年外的那次震蕩：7位科學家點評雙中子星併合引力波事件

07-14

作者：見正文

編輯：婉珺

今夜，是全世界天文學家的狂歡。

全球數十家天文機構同時宣布了這個「前所未有」的重大消息——人類第一次探測到了雙中子星併合產生的引力波。

雙中子星併合模擬圖。圖片來源：ESO/L. Cal?ada/M. Kornmesser

長久以來，人類執迷於仰望星空，因為那裡有來自宇宙深處的奧秘。

如果說首次觀測到引力波意味著人類打開了觀測宇宙的新維度，意味著人類終於「聽」到了來自宇宙的「聲音」；那麼這次雙中子星併合事件，則意味著人類首次同時「看到」並「聽到」了來自宇宙深處的信號。

這個信號，讓世界各地的望遠鏡指向同一個方向；這個信號，讓全球天文學家空前聯手；這個信號，帶給我們史無前例的重大新聞。

這是一段可看可聽的雙星舞蹈，是一次人類對於宇宙耳聰目明的觀察，更是一場全世界天文學家的集體盛宴，它開啟了一個嶄新的天文、物理、宇宙交叉的研究領域。

身處這場科學狂歡中的科學家們是如何談起這次歷史性天文事件的？他們現在有著怎樣的心情？果殼科學人在第一時間採訪了7位或直接參与觀測，或與此有密切關係的科學家，來聽聽他們如何評論今晚這一重大消息。

「雙中子星併合引力波」是什麼？

就在不久之前，LIGO和Virgo聯合宣布探測到了引力波GW170814，這也是人類探測到的第四個黑洞併合引力波。有觀點認為，人類已進入「引力波常態化」的時代。這種情況下，依然引起了巨大轟動的雙中子星引力波究竟是何方神聖？它與之前的黑洞引力波有何不同？

張冰（美國內華達大學拉斯維加斯分校教授，北京大學長江講座教授，美國物理學會會士）：

引力波是愛因斯坦相對論的預言。根據理論，任意兩個通過引力相互繞轉的天體（比如說兩顆恆星，甚至太陽和地球）都輻射引力波。但是引力波一般非常弱，只有當兩個天體的距離達到接近繞轉天體史瓦西半徑時，引力波才強到可能被人類的引力波探測器（比如美國的LIGO）探測到。

所謂史瓦西半徑是一個由質量定義的臨界半徑，一個物體如果能被「擠」進史瓦西半徑就會成為黑洞。一個太陽質量天體的史瓦西半徑大約3公里。當兩個黑洞併合時它們的距離非常接近史瓦西尺度，所以雙黑洞併合的引力波信號最強。這就是LIGO先發現雙黑洞併合的原因。

除了黑洞外，下一種最緻密的天體就是中子星了。一個中子星的特徵質量是1.4個太陽質量，半徑大約10公里，大致比1.4太陽質量的史瓦西半徑大一倍多一點。當一個中子星和一個黑洞或者兩個中子星併合時，兩個天體的距離也非常接近，因此它們發出的引力波也可以被LIGO探測到。

黑洞和中子星都是大質量恆星死亡的產物（這裡只涉及恆星級黑洞，星系中心的超大質量黑洞起源另當別論）。一般來說，如果原初恆星質量超過20太陽質量，它死亡（即中心核燃料耗盡）後會直接坍縮為黑洞。恆星級黑洞的質量至少為3個太陽質量，常常更高。比如說LIGO探測到的幾個黑洞質量高達30太陽質量。如果原初恆星質量在8-20太陽質量之間，恆星死亡後只能形成中子星，質量一般在1.2-2太陽質量之間。更輕的恆星（如太陽）只能產生白矮星。

引力波的一個重要特徵參數是頻率。頻率依賴於繞轉體的質量。質量越小，繞轉頻率越快（這用牛頓萬有引力理論就能導出）。所以雙中子星併合和雙黑洞併合引力波信號最顯著的區別是前者可以達到更高的引力波頻率。

其實LIGO之所以聲稱發現了雙中子星併合，其主要依據是從頻率導出的「chirp mass」（啁啾質量）太小已不能用黑洞解釋。原則上講，併合以後的引力波信號也能給出中子星併合的更強證據（比如併合後的產物不是黑洞而是一個超大質量的中子星），只不過目前LIGO靈敏度還不夠做出足夠精細的測量來研究併合產物。

馮驊（清華大學工程物理系及天體物理中心教授）：

黑洞併合就像聽故事，波瀾壯闊的畫面全靠想像；中子星併合更像聲情並茂的電影，圖像聲音精彩豐呈。而這些不同「渠道」傳遞出來的信息，更容易讓我們全面理解併合的物理過程。

中子星併合過程中，星體會被潮汐瓦解，形成吸積和噴流，甚至有大量物質拋射。這些動作伴隨各個波段的電磁輻射，形成了這次引力波事件的電磁波對應體。這也意味著天文觀測從「多波段天文學」向「多信使天文學」邁出了重要一步。

藝術家對於雙中子星併合，同時產生「巨新星」現象的想像圖。圖片來源：University of Warwick/Mark Garlick

從2016年底開始，我們在清華校內組織了一個學生項目「天格計劃」，希望在空間軌道上布置20餘顆微小衛星，形成一個全天覆蓋的伽馬射線暴探測網路，來捕捉中子星併合形成的引力波暴的電磁對應體，並利用各個衛星接收到信號的時間延遲對暴發進行定位。這種技術叫做行星際網路 (IPN)，但是專門針對中子星併合引力波電磁對應體這一科學目標進行設計和優化。目前已經有十來個高校加入了這一項目。這次探測到中子星併合事件，無疑是對類似項目提出了更緊迫的需求和更明確的科學和技術目標。

吳雪峰（中國科學院紫金山天文台「高能時域天文團組」首席研究員）：

雙中子星引力波產生於兩個中子星組成的雙星系統演化到最後階段的併合，併合過程非常短暫，時間跨度僅為毫秒量級。

在雙中子星發生併合且產生引力波的同時，有可能產生電磁信號，包括射電信號、可見光信號、X射線、伽馬射線等，即引力波電磁對應體，而此前LIGO已經探測到的4對黑洞併合產生的引力波事件中都未發現引力波電磁對應體。

主流模型認為，雙黑洞併合的過程中不會產生電磁信號，只會產生巨大的引力波；也有學者認為，在某些特殊情況下的黑洞併合能夠產生電磁信號。

但是雙中子星併合完全不一樣，在併合的過程中系統會拋射出一些物質，併產生比超新星暗，但比普通新星亮的光學信號。

舒菁（中國科學院理論物理研究所研究員）：

雙中子星這種雙星系統其實很早就被探測到，不過是處於前期緩慢的環繞階段，而非後期的併合階段。例如1974年發現的著名的赫爾斯-泰勒（Hulse–Taylor）雙星系統（PSR B1913 16），是由其中一個自旋很快的中子星（即脈衝星）發出的脈衝信號所探測到的，人們發現其軌道處於衰減的過程中，這是由於引力波的輻射會帶走能量。通過對其軌道的精確及長期的測量，發現軌道的衰減與廣義相對論基於引力波輻射的計算符合的非常好，這提供了引力波存在的間接證明，也為拉塞爾·赫爾斯（Russell Alan Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor）兩人贏得了1993年的諾貝爾物理學獎（不過這個系統還要大約三億年才會併合）。

中子星和黑洞都屬於天文上的緻密星體，不過中子星的質量在一到兩個太陽質量左右，而黑洞的質量則可以很大，例如LIGO發現的幾例黑洞併合事件中黑洞的質量從幾個到幾十個太陽質量。雙中子星系統輻射的引力波總能量要比前幾次黑洞的要小，也更難測量。

雙黑洞併合不會有電磁對應輻射，而雙中子星的併合則可以，這樣在觀測到引力波的時候，可能會觀測到對應的電磁信號。

熊少林（中科院高能所粒子天體物理中心百人計劃項目研究員）：

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，因此本次事件中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。

幾千年來，人類對於頭頂的茫茫宇宙只有「視覺」，即觀察宇宙天體發出的光。2015年9月14日對雙黑洞併合產生引力波的成功探測，宣告人類獲得了「聽覺」。然而，這些雙黑洞併合事件都只能聽，因為它們沒有發光，視覺發揮不了太多作用。2017年8月17日的雙中子星併合事件終於使人類能同時使用視覺和聽覺，對這個遠在1.3億光年外的天文現象進行前所未有的觀測與聆聽。

張帆（北京師範大學副教授，美國西弗吉尼亞大學兼職助理教授）：

雙中子星併合與雙黑洞併合類似，都會由所謂「緻密天體」環繞碰撞引起時空漣漪，暨引力波。但黑洞情況基本是真空演化（奇點不會傳遞信息到黑洞之外），而中子星是由核子物質組成的，涉及更多的核物理和天體物理過程，可以產生較強的電磁和中微子輻射。

雙中子星併合事件的重要意義是什麼？

雙中子星併合引力波事件讓科學家們激動不已，不少人將它與人類首次探測引力波相提並論，甚至看上去比首次探測到引力波還要令人激動。

那麼，這次雙中子星併合引力波有什麼樣的重要意義？

張雙南（中科院高能物理所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任）：

從400多年前伽利略發明天文望遠鏡開始，遠在天邊變成了近在眼前，利用各種各樣的強大的望遠鏡，人類得以能夠欣賞遙遠宇宙的各種美麗的天體。但是在探測到引力波之前，人類聽不到宇宙的聲音，面對宇宙，人類只能是聾子。

引力波是時空的漣漪，如果我們距離引力波源足夠近，它就會讓我們的耳膜振動起來，我們就能夠聽到宇宙用引力波發出的美妙聲音。但是，由於我們距離引力波源太遠了，需要藉助強大的引力波探測器才能聽到宇宙的聲音，因此引力波探測器就是人類的「助聽器」。自從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時發出的歡快聲音，人類從此就不再是聾子了。

然而，儘管已經「聽」到了四次黑洞結合發出的聲音，天文學家卻還沒有「看」到黑洞結合的美麗圖像。面對發出引力波的天體，人類仍然是瞎子。難道人類只能是非聾即瞎嗎？並不是！因為這一次，不僅僅激光干涉引力波天文台聽到了兩個中子星結合的歡快的聲音，天文望遠鏡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！未來引力波天文學的一個極為重要的方向就是所謂的「多信使」天文學，也就是不但要「聽到」天體發出的美妙的引力波，還要「看到」這些天體的倩影。

張冰（美國內華達大學拉斯維加斯分校教授，北京大學長江講座教授，美國物理學會會士）：

天文學家們習慣於用眼睛（或更強大的眼睛，即望遠鏡）來看世界，即所謂「眼見為實」。引力波的發現打開了另一扇窗口，很多人比喻打開了人類的聽覺系統。但是如果看不到引力波源，我們只能像是迷失在叢林的孩子——只聽到不知名的鳥叫，不能確認是什麼鳥、在哪兒鳴叫。所以自從引力波發現以後，人們就急切地尋找引力波的電磁對應體。

根據理論，如果一個引力波源能發光，它的附近一定存在物質或很強的電磁場。因為黑洞很有可能已把周圍物質吞沒，除非有特殊機制（比如黑洞帶電或雙黑洞在恆星內部），雙黑洞併合不會給出非常明亮的電磁對應體。LIGO之前發現的四例雙黑洞併合都沒有被確認的電磁對應體（雖然有一個有爭議的候選體）。相反，如果兩個中子星併合，即使併合後產生黑洞，在黑洞外也會有很多物質，因此會產生很亮的電磁輻射。如果併合產物不是黑洞而是超大質量中子星，電磁輻射會更強。

理論預言，雙中子星併合可能產生的電磁對應體包括短伽馬射線暴和光學併合新星。這次當LIGO在天文圈裡宣布他們發現了人類第一次見到的雙中子星併合候選體後，全世界的望遠鏡都指向那個方向，那些預言的電磁信號都如約而至，並帶來更多的驚喜和困惑。這也是整個天文界為之沸騰的原因。

吳雪峰（中國科學院紫金山天文台「高能時域天文團組」首席研究員）：

此次雙中子星引力波事件之所以讓天文學家們都如此興奮，是因為雙中子星併合過程中不僅產生了引力波，還產生了豐富的信號，如短伽馬暴等，空間X射線衛星、地面射電望遠鏡等探測設備都觀測到了相應的信號。中子星併合能揭示宇宙中超重元素（比鐵重的元素，如金元素）的起源。我所在的紫金山天文望遠鏡牽頭、國內多家單位參與建設的南極巡天望遠鏡AST3-2也探測到了光學信號。

舒菁（中國科學院理論物理研究所研究員）：

相對於基於電磁輻射（如光和射電信號）的傳統的天文學，雙中子星併合會提供一種電磁和引力波多信使的同時觀測，從而提供一種互相檢驗的途徑，也為研究中子星內部結構提供了很好的機會。自LIGO探測到雙黑洞併合的引力波以來，引力波天文學的時代已經開啟，而雙中子星併合的發現及以後更多事例的探測，為這一領域提供了更加強有力的天文探測手段。在基礎物理方面，這些引力波的探測對於進一步精確檢驗廣義相對論及宇宙學常數的測量提供了更多的有效方法, 也有潛力和其他領域結合起來研究更多的物理問題。

熊少林（中科院高能所粒子天體物理中心百人計劃項目研究員）：

這是人類第一次同時探測到引力波及其電磁對應體，是引力波天文學的極為重要的里程碑，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。

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。

現在，人類感知宇宙的視覺和聽覺終於雙劍合璧了，引力波和電磁波（光）也終於相得益彰了。因此，本次發現開啟了人類認識宇宙的新紀元。

張帆（北京師範大學副教授，美國西弗吉尼亞大學兼職助理教授）：

通過對引力波，電磁波和中微子的協同觀測，我們可以從多角度審視雙中子星併合這一極端天文事件，尋求解答諸如核子在緻密情況下的物態方程（可用於改進核彈數值模擬與真實情況的吻合度），短時伽馬暴是否真由雙中子星併合造成，以及令我們傾倒的金子到底是在雙中子星併合還是超新星暴發過程中產生的這類問題。

協同觀測也使得對引力波成功探測的置信度達到赫茲實驗的等級（赫茲驗證無線電波時是自己造的波自己測，不僅接收到信號還進一步檢驗其與發射的信號確實吻合），因電磁信號獨立確定了波源及其性質。

中國科學家做了哪些重要的貢獻？

由於中子星併合引力波具有電磁對應體，這意味著不僅LIGO和Virgo能夠探測到併合產生的引力波，其他天文台也能參與到此次探測中來。值得一提的是，許多中國科學家在這次的探測中作出了卓越的貢獻。

張雙南（中科院高能物理所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任）：

今年（2017年）6月15號發射運行的慧眼天文衛星也參加了這次創造了天文學歷史的全球大聯測，我感到十分自豪。

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，慧眼團隊的110位科學家作為中國的一個大型科學團隊，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。當然，作為慧眼衛星的首席科學家，我更關心的是，慧眼衛星能否看到產生引力波的時候綻放出伽馬射線煙花。慧眼，加油！

徹夜未眠的慧眼研究團隊。所有人迫切想拿到第一手觀測數據。圖中穿白色T恤的是廖進元，是當晚慧眼結果發布的第一作者。慧眼首席科學家張雙南說，那晚「非常熱鬧」。圖片來源：慧眼研究團隊