首個雙中子星併合引力波被發現 中國科學家參與

科學家宣布首次直接探測到了雙中子星併合產生的引力波，這次發現是由位於美國的激光干涉引力波天文台和位於歐洲的室女座干涉儀引力波探測器，以及其他70個地面及空間望遠鏡共同完成的

實習記者 高佳 記者 周辰

2017年10月16日晚間22時，國際天文界宣布了一次新的科學進展：首次直接探測到了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。這標誌著人類歷史上第一次使用引力波天文台和其他望遠鏡同時觀測到了同一個天體物理事件。

這次發現是由位於美國的激光干涉引力波天文台（LIGO）和位於歐洲的室女座干涉儀（Virgo）引力波探測器，以及其他70個地面及空間望遠鏡共同完成的，發現結果發表在物理評論快訊（Physical Review Letters）期刊上，由LIGO-Virgo和其他天文學家合作撰寫的系列相關論文也已經被天體物理雜誌快訊（Astrophysical Journal Letters）和自然（Nature）期刊接受。

中國科學院高能物理研究所副研究員熊少林向財新記者介紹，與此前LIGO探測到的雙黑洞併合引力波不同，雙中子星併合不僅產生引力波，還產生了電磁波，「所謂的電磁波就是光，因此可以從兩個手段來研究同一個天體物理現象，加深我們對這個天文現象的理解。」

中子星是目前已知的最小、最緻密的恆星，是大質量恆星在演化的最後階段經過超新星爆發形成的。雙中子星系統可以通過萬有引力作用相互吸引和旋進，並發出引力波，在最終併合前的100秒以內發出的引力波信號正好位於激光干涉儀的靈敏頻段內，因此有機會被觀測到。同時，中子星併合以後還會發出伽馬光子，該信號在引力波到達地球2秒鐘之後也被觀測到。在其後的數天和數星期內，這場壯麗的併合事件仍會繼續發出其他頻段的光，或者說電磁信號——包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波。

這也是LIGO迄今為止第五次探測到引力波。2016年2月12日，LIGO合作組宣布，他們於2015年9月14日探測到了引力波，它來自一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然後併合為一個62太陽質量的黑洞，失去的3太陽質量轉化為引力波的能量。2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日，LIGO又先後三次探測到黑洞併合產生的引力波。

在此前的10月3日，由於在引力波領域做出突出貢獻，麻省理工學院雷納·韋斯（Rainer Weiss）、加州理工學院基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）被授予2017年諾貝爾物理學獎，業內皆稱此次引力波獲獎是「眾望所歸」。

LIGO的引力波發現成果背後也有中國科學家的身影。清華大學信息技術研究院LIGO科學合作組織工作組由信息技術研究院曹軍威、范錫龍和計算機系都志輝、郭翔宇（已經研究生畢業）組成，自2009年成為LIGO科學合作組織正式成員，參與了迄今為止的所有引力波發現並作出貢獻。

據曹軍威介紹，這個被命名為GW170817的引力波信號於2017年8月17日晚上8時41分（北京時間）被觀測到。這次觀測由兩個相同的LIGO探測器完成，一個位於美國華盛頓州的漢福德，另一個位於路易斯安那州的利文斯頓，由位於義大利比薩附近的Virgo探測器提供的信息可以提升引力波事件的空間定位能力。在發現GW170817時，升級為高新LIGO後的第二輪科學觀測正接近尾聲，而Virgo處於剛剛開始升級為高新Virgo的第一次運行。

2017年8月17日，LIGO的實時數據分析軟體從其中一個LIGO探測器中捕捉到了一個很強的來自太空的引力波信號。美國宇航局的費米空間望遠鏡的監測器幾乎同時觀測到了一個伽馬暴信號。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。另一個自動分析表明另一個LIGO探測器也探測到了一致的引力波信號。LIGO-Virgo團隊的快速引力波探測分析，以及費米望遠鏡的伽馬暴探測，啟動了世界範圍內的望遠鏡後繼觀測。

LIGO的數據表明兩個距離地球1.3億光年的天體相互旋進。數據顯示這個天體系統的質量沒有雙黑洞大——LIGO-Virgo之前已經探測到過來自雙黑洞併合的引力波。相反，這兩個相互旋進的天體的質量估計為1.1-1.6倍太陽質量，恰好是中子星的質量範圍。中子星直徑約20千米，極其緻密，一小勺中子星物質的質量可達10億噸。對於噪音背景的分析顯示，這種強度的信號是由一致性隨機噪音產生的概率低於每8萬年一次。

之前LIGO和Virgo探測到4次來自雙黑洞的引力波信號，在LIGO探測器的敏感頻段內只能持續不到一秒的時間，然而，在8月17日探測到的信號持續了100秒，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。科學家們可以識別這個天體源的質量遠比迄今觀測到的所有黑洞的質量都要小得多。

據介紹，清華大學信息技術研究院LIGO科學合作組織工作組近兩年來在引力波實時在線數據處理和多信使天文學方面，開展了演算法設計、性能優化與軟體開發等方面的工作，主要研究工作包括：構建了「利用已知脈衝星群組性質探測連續引力波」的方法，並利用該方法搜索信號，完善了「貝葉斯多信使天文學框架」，並且用該框架研究引力波—短伽馬暴，還進一步優化了GPU加速在線緻密雙星併合信號搜尋程序流水線，並著手探索深度學習在引力波實時數據分析中的應用等。這些工作得到了國家自然科學基金委員會和清華大學自主科研計劃的資助。

LIGO由美國國家自然科學基金（NSF）資助，加州理工學院和麻省理工學院負責建造和運行，來自世界各地的1200多名科學家通過LIGO科學合作組織參與具體工作，其中包括GEO合作組織。Virgo合作組織則由來自20個不同的歐洲研究團隊的280名物理學家和工程師組成，Virgo探測器位於義大利比薩的歐洲引力天文台。

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