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

這是人類第五次探測到引力波。然而科學(xué)界的興奮之情甚至不亞于第一次探測到引力波時(shí)。因?yàn)榕c之前被探測到的四個(gè)引力波信號不同，這次探測到的引力波信號GW170817來自1.3億光年外兩顆并合的中子星，而且科學(xué)家第一次同時(shí)觀測到了引力波及其電磁對應(yīng)體，以及科學(xué)家預(yù)言的巨新星現(xiàn)象。

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迄今最強(qiáng)的引力波信號

“這是我們迄今觀測到強(qiáng)度最強(qiáng)的引力波信號，比第一次觀測到的雙黑洞引力波信號要強(qiáng)得多。”LIGO科學(xué)合作組織爆發(fā)源分析組聯(lián)席主席、英國格拉斯哥大學(xué)教授、北京師范大學(xué)特聘外國專家Ik Siong Heng表示，它與之前的雙黑洞繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力波信號非常類似，但持續(xù)時(shí)間更長?！疤綔y器中GW170817信號持續(xù)時(shí)間超過1分鐘，之前的雙黑洞并合引力波信號只有1秒左右?！?/p>

雙中子星并合過程中的物質(zhì)拋射和噴流形成數(shù)值模擬

8月17日，LIGO與Virgo的三臺探測器先后接收到引力波信號GW170817。在探測到引力波信號GW170817后的1.7秒，美國國家航空航天局（NASA）的費(fèi)米衛(wèi)星探測到了一個(gè)伽馬射線暴GRB170817A。在之后不到11個(gè)小時(shí)之內(nèi)，位于智利的Swope望遠(yuǎn)鏡報(bào)告在星系NGC4993中觀測到明亮的光學(xué)源。在接下來的幾個(gè)星期里，無數(shù)望遠(yuǎn)鏡將目光對準(zhǔn)這片天區(qū)，記錄下這一事件發(fā)生之前100秒至之后幾個(gè)星期的信號。

“最初GW170817信號到達(dá)時(shí)，LIGO位于美國路易斯安那州利文斯通的探測器數(shù)據(jù)中存在雜散噪聲。根據(jù)這些噪聲的特征，我們將它從分析中扣除了。”Ik Siong Heng說，此后研究人員確認(rèn)在此期間沒有人為的模擬信號注入，那些信號確實(shí)來自遙遠(yuǎn)的天體。

根據(jù)這些記錄，科學(xué)家復(fù)原出故事發(fā)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(zhuǎn)。在并合前約100秒時(shí)，它們相距400公里，每秒鐘互相繞轉(zhuǎn)12圈，并向外輻射引力波。它們越轉(zhuǎn)越近，直至最終碰撞在一起，形成新的天體，并發(fā)出電磁輻射。

雙中子星并合后發(fā)出短伽瑪暴和巨新星輻射的示意圖

中子星是恒星演化末期形成的一類致密天體。雖然它的半徑只有十幾公里，質(zhì)量卻與太陽相當(dāng)。中子星到底有多硬？其內(nèi)部物質(zhì)以何種狀態(tài)存在？這些一直是科學(xué)家感興趣的問題。

根據(jù)觀測到的引力波信號，科學(xué)家估算出兩顆中子星的質(zhì)量、半徑，并對其密度給出了保守的限制，幫助排除了那些對于中子星密度估計(jì)過低的理論模型?！耙Σㄐ盘朑W170817的演變，尤其是接近并合階段的信號演變，受到中子星自身性質(zhì)的影響。如果中子星更致密一點(diǎn)，或者更稀松一點(diǎn)，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(yīng)體

“這個(gè)結(jié)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并合。”中科院紫金山天文臺研究員吳雪峰在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)難掩興奮。

與雙黑洞并合不同，雙中子星并合過程不僅向外輻射出引力波，還會在多個(gè)波段發(fā)出電磁輻射，從而被望遠(yuǎn)鏡觀測到。那些在發(fā)出引力波同時(shí)，又被望遠(yuǎn)鏡觀測到的天體被稱為引力波的電磁對應(yīng)體。

天文學(xué)家為何對引力波的電磁對應(yīng)體如此感興趣？“引力波都是一次性的，無法重復(fù)觀測。其電磁對應(yīng)體則不是這樣?！北本煼洞髮W(xué)天文學(xué)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(rèn)信號來自哪里?！?高鶴說，電磁波段是目前發(fā)展最完善、理論研究最透徹的觀測窗口，也是現(xiàn)有探測手段與探測儀器最豐富的窗口?！爸挥袑?shí)現(xiàn)了引力波與電磁波的聯(lián)合探測，才可以證認(rèn)引力波源的天體物理起源，并對其天體物理性質(zhì)開展進(jìn)一步的研究?！?/p>

激光干涉引力波天文臺（LIGO）

LIGO與Virgo的探測目標(biāo)是恒星級致密天體，也即黑洞、中子星之間并合發(fā)出的引力波。在這一探測范圍內(nèi)，雙中子星并合、中子星與黑洞并合被認(rèn)為是可能的引力波電磁對應(yīng)體候選者。在LIGO發(fā)展的早期，雙中子星并合曾被認(rèn)為是引力波觀測的首要目標(biāo)。

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

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找到金銀等元素誕生地

科學(xué)家對這次觀測興奮不已，還因?yàn)橛^測將雙中子星并合與短伽馬射線暴直接聯(lián)系在一起，并首次觀測到巨新星現(xiàn)象，讓科學(xué)家能夠深入了解雙中子星并合的物理過程。

所謂伽馬射線暴，是天空中某一個(gè)方向伽馬射線輻射突然增亮的現(xiàn)象。根據(jù)伽馬射線暴時(shí)間長于或短于2秒，可分為長暴與短暴?？茖W(xué)家認(rèn)為，長伽馬射線暴與大質(zhì)量恒星塌縮形成黑洞的過程相關(guān)，短伽馬射線暴則源自雙中子星并合或中子星與黑洞并合。前者已被大量觀測所證實(shí)，后者卻一直沒有找到直接觀測證據(jù)。

巨新星則是1998年北京大學(xué)教授李立新（當(dāng)時(shí)為普林斯頓大學(xué)博士生）與普林斯頓大學(xué)已故教授Bodhan Paczynski合作提出的構(gòu)想?！半p中子星并合時(shí)向外拋射的物質(zhì)會通過快中子過程形成金、銀等重元素，并形成光學(xué)和近紅外輻射?！?李立新說，這些輻射現(xiàn)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(xué)家捕獲了引力波信號、短伽馬射線暴信號以及光學(xué)信號。后續(xù)分析證明這些信號互相關(guān)聯(lián)，均來自中子星并合。我國在南極大陸安裝的南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3也捕獲了并合的光學(xué)信號。

“有多名學(xué)者對巨新星理論進(jìn)行過完善，這次的觀測結(jié)果非常吻合完善后的理論構(gòu)想?！崩盍⑿抡f。

“8月份，南極的冬天剛剛過去，目標(biāo)天體的地平高度較低，每天有2個(gè)小時(shí)左右的觀測時(shí)間。8月18日起，我們進(jìn)行了10天的觀測，獲得了目標(biāo)天體的91幅圖像，并最終得到目標(biāo)天體的光變曲線，與巨新星理論預(yù)測高度吻合?！眳茄┓灞硎尽?/p>

2013年以來，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)巨新星候選體。“它們之所以只能被稱為候選體，是因?yàn)橹挥幸粌蓚€(gè)光學(xué)信號點(diǎn)，并沒有獲得光變曲線，特別是沒有同時(shí)觀測到引力波，用以佐證它們來自雙中子星并合?！眳茄┓逭f。

“理論上所有雙中子星并合都會形成巨新星。但通常它們比較暗弱，因此能不能看到取決于它們與我們的距離。”李立新說，幸運(yùn)的是，這兩顆中子星離我們并不遙遠(yuǎn)。

“目前觀測到的雙中子星并合引力波相對來說都比較近，因此能為天文學(xué)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并合物的質(zhì)量、自旋等信息?！斑@些基本特征能讓天體物理學(xué)家構(gòu)建模型，解釋觀測到的伽瑪暴輻射?！?/p>

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檢驗(yàn)宇宙規(guī)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(yīng)體的發(fā)現(xiàn)，有助于科學(xué)家結(jié)合不同信息研究天體的性質(zhì)，并檢驗(yàn)宇宙的基本規(guī)律。

例如哈勃常數(shù)，它是衡量宇宙膨脹速度的重要參數(shù)。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(shù)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(shù)數(shù)值，明顯大于普朗克太空衛(wèi)星通過宇宙微波背景觀測得到的哈勃常數(shù)數(shù)值。引力波及其電磁對應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)，將提供測量哈勃常數(shù)的獨(dú)立渠道?！翱梢酝ㄟ^引力波波形得出波源的距離，由電磁波對應(yīng)體提供紅移信息，根據(jù)距離紅移關(guān)系測量哈勃常數(shù)?！北本煼洞髮W(xué)天文系教授朱宗宏說。

在最新的觀測中，LIGO科學(xué)合作組織進(jìn)行了這個(gè)嘗試，得出的哈勃常數(shù)數(shù)值為70公里/(秒·百萬秒差距)?！坝捎跍y量過程需要用到引力波的波形信息，目前這一測量并不準(zhǔn)確?！敝熳诤暾f，“未來結(jié)合引力透鏡方法，有望將哈勃常數(shù)的誤差限制在1%之內(nèi)，這個(gè)精度遠(yuǎn)高于目前光學(xué)波段的測量精度?！?/p>

注：文中圖片除注明外均來自網(wǎng)絡(luò)

編輯：王小龍

審核：管晶晶