人類第5次探測(cè)到引力波 將開啟引力波天文學(xué)新時(shí)代

　　又見引力波 時(shí)空起漣漪

　　這一次，我們看見了引力波源頭

　　雙中子星并合后發(fā)出短伽馬暴和巨新星輻射的示意圖。

　　編者按 引力波，是由黑洞、中子星等碰撞產(chǎn)生的一種時(shí)空漣漪，宛如石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋。百年前，愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，但直到2015年人類才首次探測(cè)到引力波。通過引力波，人們有可能了解宇宙早期的樣貌。此次，人類第5次探測(cè)到引力波，并首次觀測(cè)到引力波電磁對(duì)應(yīng)體，這將開啟引力波天文學(xué)的新時(shí)代。

　　本報(bào)記者 徐 玢

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

　　這是人類第5次探測(cè)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(cè)到引力波的時(shí)候。因?yàn)榕c之前4個(gè)信號(hào)不同，這次探測(cè)到的引力波信號(hào)GW170817來自1.3億光年外兩顆并合的中子星，而且是全球多地科學(xué)家第一次同時(shí)觀測(cè)到引力波與其電磁對(duì)應(yīng)體。

　　迄今最強(qiáng)的引力波信號(hào)

　　“這是我們迄今觀測(cè)到強(qiáng)度最強(qiáng)的引力波信號(hào)，比第一次觀測(cè)到的雙黑洞引力波信號(hào)要強(qiáng)得多?！盠IGO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(hào)非常類似，但持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)?！疤綔y(cè)器中GW170817信號(hào)持續(xù)時(shí)間超過1分鐘，之前的雙黑洞并合引力波信號(hào)只有1秒左右?！?/p>

　　8月17日，LIGO與Virgo的三臺(tái)探測(cè)器先后接收到引力波信號(hào)GW170817。在探測(cè)到引力波信號(hào)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(cè)到了一個(gè)伽馬射線暴GRB170817A。在之后不到11個(gè)小時(shí)內(nèi)，位于智利的Swope望遠(yuǎn)鏡報(bào)告在長(zhǎng)蛇座星系NGC4993中觀測(cè)到明亮的光學(xué)源。在接下來的幾周里，無數(shù)望遠(yuǎn)鏡將目光對(duì)準(zhǔn)這片天區(qū)，記錄下這一事件發(fā)生之前100秒至之后幾周的信號(hào)。

　　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(zhǎng)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?cè)睫D(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。

　　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(cè)到的引力波信號(hào)，科學(xué)家估算出兩顆中子星的質(zhì)量、半徑，并對(duì)其密度給出了保守的估計(jì)，幫助排除了那些對(duì)于中子星密度估計(jì)過低的理論模型?！耙Σㄐ盘?hào)GW170817的演變，尤其是接近并合階段的信號(hào)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(hào)都會(huì)不同。”Ik Siong Heng說。

　　期待中的電磁對(duì)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(cè)到第一例雙中子星并合?！敝锌圃鹤辖鹕教煳呐_(tái)研究員吳雪峰在接受科技日?qǐng)?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(huì)在多個(gè)波段發(fā)出電磁輻射，從而被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。那些在發(fā)出引力波同時(shí)，又被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的天體被稱為引力波的電磁對(duì)應(yīng)體。

　　天文學(xué)家為何對(duì)引力波的電磁對(duì)應(yīng)體如此感興趣？“引力波都是一次性的，無法重復(fù)觀測(cè)。其電磁對(duì)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(hào)自身存在一定缺陷，比如信號(hào)十分微弱，信號(hào)源的定位誤差非常大，僅僅利用引力波探測(cè)無法確認(rèn)信號(hào)來自哪里?！?高鶴說，只有實(shí)現(xiàn)了引力波與電磁波的聯(lián)合探測(cè)，才可以證認(rèn)引力波源的天體物理起源，并對(duì)其天體物理性質(zhì)開展進(jìn)一步的研究。

　　在8月17日探測(cè)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。

　　發(fā)現(xiàn)金銀等元素誕生地

　　科學(xué)家對(duì)這次觀測(cè)興奮不已，還因?yàn)橛^測(cè)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(cè)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(zhǎng)于或短于2秒，可分為長(zhǎng)暴與短暴?？茖W(xué)家認(rèn)為，短伽馬射線暴源自雙中子星并合或中子星與黑洞并合，但一直沒有找到直接觀測(cè)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(huì)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?！崩盍⑿抡f，這些輻射現(xiàn)象比超新星的亮度暗100倍，被稱為巨新星或千新星。

　　在此次觀測(cè)中，科學(xué)家捕獲了引力波信號(hào)、短伽馬射線暴信號(hào)以及光學(xué)信號(hào)。后續(xù)分析證明這些信號(hào)互相關(guān)聯(lián)，均來自雙中子星并合。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(hào)。

　　“有多名學(xué)者對(duì)巨新星理論進(jìn)行過完善，這次的觀測(cè)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(cè)時(shí)間。8月18日起，我們進(jìn)行了10天的觀測(cè)，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(cè)高度吻合?！眳茄┓灞硎?。2013年以來，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)巨新星候選體，此次是首次直接觀測(cè)到巨新星。

　　“理論上所有雙中子星并合都會(huì)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)。

　　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(duì)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(cè)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(cè)精度的提高，測(cè)量值的分歧越來越明顯。例如通過測(cè)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(cè)得到的哈勃常數(shù)數(shù)值。引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)，將提供測(cè)量哈勃常數(shù)的獨(dú)立渠道。“可以通過引力波波形得出波源的距離，由電磁波對(duì)應(yīng)體提供紅移信息，根據(jù)距離紅移關(guān)系測(cè)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(cè)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(cè)量過程需要用到引力波的波形信息，目前這一測(cè)量并不準(zhǔn)確。”朱宗宏說，“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)高于光學(xué)波段的測(cè)量精度?！?/p>

　　(科技日?qǐng)?bào)北京10月16日電)