人类首次探测到双中子星合并引力波 中国贡献重大
人类首次探测到双中子星合并引力波 中国贡献重大
2017年10月16日，包括中国在内的多国科学家宣布，人类首次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”由这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。这一发现不仅证实了爱因斯坦广义相对论的预言，更为理解宇宙中金、银等超铁元素的起源提供了关键线索。
图1：两个合并中的中子星。来源：美国国家科学基金会、LIGO、索诺玛州立大学和A. Simonnet
图2：双中子星GW170817合并的射电波观测图象。来源：加州理工学院和牛津大学
什么是引力波？
引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪，宛如石头丢进水里产生的波纹。百年前，爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在，但直到2015年人类才首次探测到引力波，3名美国科学家因此获得诺贝尔物理学奖。
重大发现
第一次探测到双中子星合并。LIGO项目组成员、美利坚大学天体物理学家格雷戈里·哈里表示，中子星引力波可以用来直接测量到引力波源头的距离，而相应的电磁信号给出了速度，由此可用来校准宇宙膨胀速度，从而进一步回答宇宙从哪里来、又往哪里去等重大问题。
第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波。通过X光、紫外、可见光、红外及射电波的观测，使得确认宿主星系成为可能。这一事件展示了引力波与电磁波等不同研究团队之间开展合作的重要性，也标志着多信使天文学跨入新时代。
地面红外望远镜探测到了中子俘获过程，从而首次提供确凿证据证实中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源，而之前天文学家只是推测。
发现过程
2017年8月17日，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）捕捉到这个引力波信号。此后2秒，美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。
确认引力波信号
距地球约1.3亿光年。LIGO项目组在美国华盛顿发布这一重大发现。中国、德国、英国和法国等国科学家也各自举行新闻发布会。相关论文发表在《科学》《自然》等学术期刊上。在8月17日的事件中，全球约70个地面及空间望远镜从红外、X射线、紫外和射电波等波段开展观测，确认引力波信号来自距地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系。
宇宙中的金银元素
主要起源于中子星合并。中国紫金山天文台副研究员金志平参与的国际团队，通过对此次引力波光学信号的观测和光谱分析，首次提供确凿证据证实，中子星合并是宇宙中金银等元素的主要起源。金志平说：“这就是宇宙中的‘巨型黄金制造厂’。”
中国贡献
2017年8月17日，第4例引力波事件发生后的第3天，美国激光干涉引力波观测台LIGO又发现一个新的引力波信号GW170817。与前4例黑洞合并所产生的引力波不同，GW170817是一个由双中子星合并产生的引力波。全球约70个地面及空间望远镜从红外、X光、紫外和射电等多个波段开展后续观测。这其中，也包括中国架设在昆仑站的南极巡天望远镜AST3-2。身在南京的中科院南极天文中心的年轻成员胡镭，是第一个注意到南极巡天望远镜AST3-2“有情况”的人。胡镭告诉记者，8月18日中午，南极团队获知引力波信号准确方位后，立刻调整巡天望远镜角度，把望远镜观测角度拉到极限，历时10天，每天2小时，终于在预期坐标内看到了那个宝贵的亮点。中国在南极抓住了这个机会！
未解之谜
“多信使天文学”让科学家兴奋。本次LIGO项目组宣布发现的引力波，来自距地球约1.3亿光年处的双中子星合并。与黑洞合并只产生引力波不同的是，中子星合并除了产生引力波外，还发出了大量的电磁波。这就是让天文学家感到兴奋的“多信使天文学”。引力波和电磁波作为不同的“信使”，可以告诉我们同一个天文事件在不同方面的信息。美国田纳西大学天体物理学教授迈克尔·吉德里说，“多信使天文学”是天文学家长期追求的“圣杯”，将对相关领域的未来产生巨大影响。
哈里说，如果没有引力波研究，中子星的许多性质都将是长期悬而未解的谜，包括在强引力作用下怎么弯曲变形、合并时将会发生什么情况、质量多大时会形成黑洞等等。“GW170817不能回答所有这些问题，但它给我们提供了以前没有的信息，并且表明引力波观测是解答这些问题的一个切实可行的方法。”哈里说。他指出，迄今探测到的5次引力波信号都与爱因斯坦的广义相对论理论完全吻合，但广义相对论却与量子力学不相容，因此一些观点认为广义相对论需要修正。诸如GW170817等事件是少数能在引力极限情况下验证广义相对论的办法之一。“我们还有可能观测到更强、更清晰的信号，那也许能向我们展示爱因斯坦引力理论所不能解释的东西。”
具体到这次事件，双中子星合并之后变成了什么，依然没有答案。科学家列出了两种可能性，一种是变成了非常大质量的中子星，另一种是变成了黑洞。但不管是什么，它的质量大约相当于2.74个太阳。
探寻引力波
为那一秒的相遇。人类探寻百年。天体剧烈活动引起的时空扰动，好比在浩渺的宇宙中央投下一颗石子，历经10多亿年漫漫星系之旅，时空的涟漪最终与地球邂逅1秒。从1916年爱因斯坦的预言，到2016年2月首次确定探测到引力波信号，人类为了这最后1秒的相遇，苦苦探寻百年。自首次发现，人类“触波”的频率明显加快。2015年12月、2017年1月和8月，人类又先后探测到3次由双黑洞合并触发的引力波。特别是最新的一次，编号为GW170814的双黑洞引力波被两台位于美国的LIGO设备和一台欧洲“处女座”（Virgo）引力波探测器同时找到。3台设备联手发现，大大精确了引力波在太空中的方位，引力波探索又向前迈进了一大步。第五次引力波信号也是第一次中子星合并引力波，确认引力波信号来自地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系，两颗中子星的质量均不超过太阳的两倍。
本文原文来自新华社