又見引力波 時(shí)空起漣漪

這一次，我們看見了引力波源頭

迄今為止,，已知的引力波源區(qū)域在天空的分布圖,。有了Virgo的幫助，定位引力波源頭的精準(zhǔn)度更高,。圖片來自LIGO官網(wǎng)

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,。”LIGO科學(xué)合作組織爆發(fā)源分析組聯(lián)席主席,、英國(guó)格拉斯哥大學(xué)教授,、北京師范大學(xué)特聘外國(guó)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),。“探測(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,。”

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(guó)國(guó)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,。“雙中子星并合時(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(guó)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,。”吳雪峰表示,。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,?！崩盍⑿抡f，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?！翱梢酝ㄟ^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?！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)高于光學(xué)波段的測(cè)量精度,。”

(科技日?qǐng)?bào)北京10月16日電)