引力波三大重要新发现：首次探测到中子星碰撞引力波

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　　引力波的源头，终于出现在视线中，一图让你读懂它
                                                                                                                                 

　　国家科学基金会推特账号：”今天，我们很高兴地宣布，科学家们已经探测到了源自两颗中子星合并的引力波信号，那是最小，密度最高的恒星。

　　新浪科技讯 北京时间10月16日晚间消息，科学家们刚刚宣布他们首次检测到了一种新型的引力波，来自中子星合并事件，并且与前几次引力波事件都不同的是，此次科学家们还检测到了产生此次引力波信号的对应天体。如果将引力波比作声音，而将光学波段的观测比作视觉，那么此前四次的引力波信号都是“只闻其声，不见其人”，而这一次，我们找到了引力波信号对应的天体，可谓“闻其声，且见其人”――面对广袤宇宙，我们变得“耳聪目明”了！

　　这一里程碑式的发现开启了发布会专家所称的“multimessenger astrophysics”（多信使天体物理学），这将大大有助于我们加深对于宇宙的认识。本次观测同时也首次提供了确凿证据，证明中子星的碰撞事件是宇宙中很多重元素，包括金，铂，以及其他多种重元素的重要来源。

　　科学家们如何描述他们的发现？用最早探测到引力波信号的LIGO合作组科学家理查德?肖内斯（Richard O‘Shaughnessy）的话来说，就是“最完美的失败”。什么意思呢？因为“这将完全改变我们研究天文的方式。但这太美妙啦！”

　　简单说一下：这次发布会究竟有啥新发现？

　　1） 首次观测到新型引力波

　　自从2015年9月14日科学家首次探测到引力波信号以来，我们已经陆陆续续探测到4次引力波信号，但它们无一例外都是来自两个黑洞的合并。而今天的发布会上说的是，科学家们在今年8月17号又探测到第五次引力波信号，这次和前四次都不一样，它来自两颗中子星的合并。说具体一些，参与其中的两颗中子星质量分别为1.1倍以及1.6倍太阳质量，距离地球大约1.3亿光年。

　　2） 首次观测到引力波光学对应体

　　什么意思呢？通俗的说吧，前四次引力波信号都只是听了个响，但没见着真身。但这回不同！科学家们找到了产生这次引力波信号的天体在天空中的位置，并且调动全球各地的望远镜对它进行了详细观测！

　　3） 首次证实中子星合并事件可以产生大量重元素

　　这个可以说是一个副产品了。科学家们在对这个光学对应体进行观测时候，发现这两个中子星合并的过程中产生了大量的重元素，比如金，珀，以及铀之类。这是对之前理论的一次证实。


　　迄今为止，全部探测到的五次引力波事件。前面四个都来自黑洞的合并，最下面那个是今天宣布的，首个来自中子星合并的引力波信号。可以看到，这一信号的持续时间明显要比之前来自黑洞合并的引力波信号长得多

　　一次全新的探测

　　引力波是由于大质量天体的剧烈运动造成的时空涟漪。这种涟漪会以光速向四周传播，但它们的穿透性要强大的多，它们不会像光线那样容易被散射或者吸收。

　　1916年，爱因斯坦最早在它的广义相对论中提出了引力波的预言。但对引力波的直接探测还要等到100年后的今天。里程碑事件出现在2015年，LIGO合作组的科学家们首次检测到了来自两个黑洞相互合并产生的引力波信号。

　　这项突破性进展让该项目的三位主要组织者共同获得了2017年的诺贝尔物理学奖。在那之后，LIGO研究组没有停歇，他们紧接着又探测到了三次引力波事件，它们有一个共同点，那就是它们无一例外，都是来自于两个黑洞的合并。


就在本次引力波事件探测到的同时，美国宇航局的费米伽马射线空间望远镜检测到一次伽马射线爆发，这是首次观测到引力波事件对应的电磁波段对应信号

　　但是，第五次引力波事件，正如刚刚（10月16日北京时间22：00）宣布的消息那样――完全不同！在2017年8月17日，LIGO下属的两台分别位于华盛顿州和路易斯安纳州的引力波探测器都接收到了一个持续大约100秒的信号，这样的长度远远超过了此前黑洞合并过程产生的，持续时间仅有不到一秒钟的引力波信号。

　　LIGO科学合作组新闻发言人，美国麻省理工学院科维理天体物理与空间研究所高级研究员大卫?舒梅克（David Shoemaker）表示：“我们很快意识到，这可能是来自中子星的引力波信号。这是我们一直想要看到的信号，也是我们曾经向世界许诺将会探测到的信号。”

　　LIGO合作组科学家们的计算显示此次事件中相互碰撞的两颗中子星质量分别为1.1倍以及1.6倍太阳质量。相比之下，此前几次引力波信号中，发生碰撞的都是黑洞，它们的质量通常都在数十倍太阳质量的量级。

　　中子星是大质量恒星在发生超新星爆发死亡后留下的残骸，它们是宇宙中最奇异的天体类型之一。

　　美国卡内基学院的理论天体物理学家托尼?皮罗（Tony Piro）表示：“中子星是最接近黑洞但没有变成黑洞的天体，它们的密度极大，仅次于黑洞。一汤匙的中子星物质几乎相当于全世界70亿人的体重加在一起的总和。”


两台LIGO探测器，以及欧洲VIRGO探测器位置示意图

　　团队合作

　　本次探测到的引力波事件代号GW170817，意思是它是在2017年8月17日被探测到的。位于意大利比萨附近的欧洲Virgo引力波探测器同样探测到了这次信号。几乎与此同时，正在太空运行的美国宇航局费米伽马射线探测器锁定了一次伽马射线爆发事件――伽马射线是能量最高的光子――这次伽马射线爆发的方向与引力波信号指示的方向一致。

　　所有这些都科学家们得以将本次引力波信号的来源圈定到一片很小的天空区域内。研究团队决定将这些信息分享给全球各地的同行们，请求他们的协助，调用全世界的地面和太空望远镜设备对这一来源方向进行协同观测。

　　这样的通力合作很快产生了成果。就在引力波信号被探测到之后的数小时内，皮罗和他的同事们便借助位于智利境内的Las Campanas天文台锁定了一个距离地球大约1.3亿光年外的对应光学天体。


随后，全球70多个天文机构，调用100多台设备，从各个波段对此次引力波事件的光学对应体进行了观测

　　同样来自卡内基研究院的乔西?西蒙（Josh Simon）表示：“我们在一个临近星系附近观测到一个明亮的蓝色光源，这是我们首次观测到中子星合并的光学画面。那真是太令人激动了！”

　　好多的黄金和铂金！

　　随后，又过了大约1小时，借助同样设在智利境内的南双子望远镜，研究人员在红外波段同样锁定了这个对应天体。很快，全球各地的专业人员通过各种设备，在电磁波的各个波段――从射电波段到X射线波段，对这个目标进行了观测。

　　这些观测显示，部分观测到的光线来自一些重元素，如金和铀元素产生的放射性荧光，它们是在两颗中子星发生合并时产生的。

　　这又是一项重要进展！科学家们知道在宇宙大爆炸时产生了大量轻元素，主要是氢和氦，除此之外在元素周期表上一直到铁的所有这些元素，基本都是在恒星内部的核聚变过程中产生的，但比这质量更大的元素究竟如何产生，一直未能得到很好的理解。

　　哈佛大学史密森天体物理学中心的厄尔多?贝格（Edo Berger）表示：“此前元素周期表中那些质量最大的元素的起源一直不甚明了，直到今天――我们了解到，它们可以在中子星的合并过程中被产生出来。”他说：“每次这样的合并事件都能产生质量超过一个地球的贵金属，比如珀金和黄金，还有很多非常稀少的稀土元素。”事实上，科学家们的计算显示，今年8月17号观测到的这次中子星合并事件，产生了相当于10倍地球质量的黄金和铂金。

　　未来可期

　　针对GW170817引力波事件的深入调查正在揭示更多重要细节：

　　比如说，此次研究证明，引力波的传播速度的确正如理论所预言的那样，是以光速传播的。为什么这么说呢？因为美国宇航局的费米空间望远镜探测到伽马射线信号的时间只比引力波天文台观测到引力波信号的时间晚了大约2秒钟。

　　但GW170817仅仅是开端，未来它将有望帮助科学家们校正天体的距离。比如说，它理论上可以帮助天文学家们更加精确地判定宇宙膨胀的速率。此前借助各种参照，比如超新星爆发或者宇宙微波背景辐射标定的描述宇宙膨胀的参数，也就是所谓的哈勃常数数值一直不够精准，而引力波将有望成为新的定标工具。

　　或许，此次最新的进展最令人兴奋的地方还在于，引力波天文学本身还处于刚刚开始的阶段，未来还拥有广阔的想象空间可以让我们去自由探索。（晨风）

　　中国南极巡天望远镜追踪到引力波事件的首例光学信号

　　2016年2月11日，美国地基先进激光干涉引力波天文台LIGO宣布探测到来自双黑洞并合的引力波辐射，一举证实了广义相对论给出的黑洞和引力波两大预言。2017年10月诺贝尔物理学奖授予LIGO的三位奠基者。


图1：AST3-2在8月18日观测窗口期内引力波光学信号（红色方框内）。

　　2017年8月17日，LIGO和VIRGO（欧洲“室女座”引力波探测器）共同探测到的引力波事件GW 170817，是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波事件。随后的几秒之内，美国宇航局Fermi伽玛射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽玛暴GRB 170817A。全球有几十台天文设备对GW 170817开展了后随观测，确定这次的引力波事件发生在距离地球1.3亿光年之外的编号为NGC 4993的星系中。

　　自北京时间2017年8月18日21：10起（即距离此次引力波事件发生24小时后），中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2对GW 170817开展了有效的观测，此次观测持续到8月28日，期间获得了大量的重要数据，并探测到此次引力波事件的光学信号（图1）。这些数据和全球其他天文台的观测结果一起揭示了此次双中子星并合抛射出1 %量级太阳质量（超过3000 个地球质量）的物质，这些物质以0.3倍的光速被抛到星际空间，抛射过程中部分物质发生核合成，形成比铁还重的元素。因此，这次引力波光学对应体的发现，证实了双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、银）的起源。


图2：第二台南极巡天望远镜AST3-2。

　　AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜（图2）。其有效通光口径50厘米，是南极现有最大的光学望远镜，并且完全实现了极端环境下的无人值守全自动观测。目前，AST3-2主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文前沿研究。