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北京時間10月16日22點(diǎn)，LIGO（激光干涉引力波天文臺）、VIRGO（“處女座”引力波探測器）聯(lián)合全球數(shù)十家天文機(jī)構(gòu)舉辦新聞發(fā)布會，共同宣布于今年8月17日捕捉到由兩個質(zhì)量分別為1.1和1.6個太陽質(zhì)量的中子星并合所產(chǎn)生的引力波信號（GW170817），該雙星系統(tǒng)位于距離我們約40兆秒差距的地方。本次引力波探測事件與伽瑪暴事件 GRB 170817A相關(guān)聯(lián)，首次證實(shí)了中子星—中子星并合與短伽瑪暴的相互關(guān)系。其后進(jìn)行的電磁波對應(yīng)體觀測以及電磁譜觀測，進(jìn)一步證實(shí)了這是一個中子星碰撞事件。本次探測時間是人類第五次探測到來自宇宙的引力波信號^[0]。

雙中子星合并藝術(shù)示意圖 Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science

根據(jù)理論預(yù)言^[1]，有中子星參與的致密星并合過程，除了釋放引力波，還會伴隨有電磁輻射。由于人類在對宇宙的電磁波探測上有更加成熟的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，天文學(xué)家可以通過電磁波多波段的聯(lián)合觀測獲取更多信息。本次引力波信號已經(jīng)通過全球多家天文臺的觀測證實(shí)，發(fā)現(xiàn)了其電磁波對應(yīng)體。在LIGO、VIRGO觀測到信號后的幾秒之內(nèi)，美國宇航局Fermi伽瑪射線衛(wèi)星和歐洲INTEGRAL衛(wèi)星都探測到了一個極弱的短時標(biāo)伽瑪暴GRB 170817A。全球有幾十臺天文設(shè)備對GW 170817開展了后隨觀測，確定這次的引力波事件發(fā)生在距離地球1.3億光年之外的編號為NGC 4993的星系中。這就意味著，從今以后，人類對引力波的探測再也不是“盲人摸象”了。

中子星是恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點(diǎn)之一。在其形成過程中，恒星遭受劇烈的壓縮，其組成物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子，最終成為直徑只有十余公里，質(zhì)量卻有太陽數(shù)倍的致密星體。中子星的密度極高，每立方厘米便可重達(dá)數(shù)十億噸。中子星的旋轉(zhuǎn)速度極快，由于其磁軸和自轉(zhuǎn)軸并不重合，磁場旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的輻射可能會以“一明一滅”的方式傳到地球，有如人眨眼，因而被人類所觀測到，此時被稱作脈沖星^[2]。

雙中子星并合過程研究和引力波探測的淵源，早在幾十年前就已埋下了種子。1974年，Russell Alan Hulse 和 Joseph Hooton Taylor, Jr. 利用305米口徑的阿雷西伯望遠(yuǎn)鏡共同發(fā)現(xiàn)了第一對中子星 (Neutron Star pair) PSR J1915-1606 ^[3]。PSR J1915-1606S是一對在射電波段有周期性脈沖輻射的中子星—脈沖星。觀測結(jié)果顯示，這兩顆質(zhì)量約為1.4太陽質(zhì)量的脈沖星軌道周期約為3秒，其軌道直徑有逐漸收縮的趨勢。愛因斯坦的廣義相對論曾預(yù)言，雙脈沖星的運(yùn)動如果釋放引力波，將導(dǎo)致脈沖星到達(dá)近星點(diǎn)（類比于地球公轉(zhuǎn)的“近日點(diǎn)”）的時機(jī)有些微的提前。事實(shí)上，由于引力場的存在，PSR J1915-1606在經(jīng)度上平均每年將其近星點(diǎn)提前4度。這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是引力波存在的間接證據(jù)。1993年，Russell 和 Joseph 于1993年因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這一中子星對，且對它進(jìn)行了大量后續(xù)分析被授予諾貝爾物理學(xué)獎。評審委員會認(rèn)為，這兩位得獎?wù)呒捌鋱F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種全新類型的脈沖星，并為研究廣義相對論提供了新的可能^[4]。

PSR J1915-1606 軌道衰減曲線^[3]

Russell 和 Joseph 的研究暗示著雙中子星對和引力波的相關(guān)研究大有可為。此后的若干年里，科學(xué)家們在該領(lǐng)域做了不少工作：曹周鍵博士和潘奕博士等科學(xué)家曾在引力波理論模型EOBNR創(chuàng)建與數(shù)值相對論結(jié)論比對上做出重要貢獻(xiàn)^[5]，為LIGO進(jìn)行黑洞—黑洞并合過程的引力波探測提供了一定理論支持。而基于此前發(fā)現(xiàn)的雙中子星對的觀測結(jié)果，Shibata Masaru博士等人則進(jìn)行了雙中子星并合模型的數(shù)值模擬工作，并為本次雙中子星并合事件的觀測提供了一定的理論依據(jù)^[6]。

中子星—中子星并合過程模擬及其對應(yīng)引力波波形^[6]

從并合過程和引力波探測來說，雙中子星對的并合包括旋進(jìn)、碰撞、鈴宕三個過程，會產(chǎn)生相對應(yīng)的引力波波形。在這一系列的并合過程中，大部分物質(zhì)會成為新的中心天體（大部分是黑洞）的一部分，而剩下的物質(zhì)要么以碎屑或千新星（亮度約為新星的1000倍）的形式被拋射開去，要么被中心黑洞吸引構(gòu)成吸積盤^[6]?？偟膩碚f，這一過程可能釋放引力波、產(chǎn)生千新星和短伽瑪暴。千新星和短伽瑪暴的余輝還能產(chǎn)生可觀的電磁輻射。

中子星對碰撞后周圍環(huán)境的可能物質(zhì)構(gòu)成^[6]

中子星對碰撞濺射產(chǎn)生碎屑盤的密度分布^[6]

“千新星”的理論最早由李立新教授和Paczyński教授在1998年提出[7]，研究指出，致密天體（如中子星）在相互旋進(jìn)與并合時，將會有近似各向同性的富中子化物質(zhì)拋射，通過快中子俘獲過程，這些拋射物能夠合成大量重元素，而重元素的衰變則會加熱拋射物，使其發(fā)出可觀的可見光與近紅外輻射，這種現(xiàn)象將如同超新星一樣，但持續(xù)時間較短。這種現(xiàn)象被稱為“李- Paczyński巨新星”。后續(xù)的研究指出，這種現(xiàn)象比超新星亮度更低，但其亮度大約可達(dá)新星的1000倍^[8]，故而又被稱為“千新星”。2013年，英國天文學(xué)家首次通過HST對短伽馬射線爆GRB130603B的余輝的觀測發(fā)現(xiàn)了巨新星的跡象^[9]。

短暴或長短暴、引力波信號、巨新星信號的關(guān)聯(lián)性示意圖

長久以來，尋找中子星一度只有通過脈沖星這一種手段，直到后來，短伽馬射線暴被認(rèn)為來源于雙中子星或黑洞-中子星并合^[10]。我國的中國科學(xué)院紫金山天文臺領(lǐng)銜成立了國際工作組來系統(tǒng)分析處理了過去10年內(nèi)的短暴的余輝數(shù)據(jù)，從中成功發(fā)現(xiàn)了兩顆千新星^[11][12]，并首次對巨新星與短暴/長短暴的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)每個短暴/長短暴很可能都伴隨著一個巨新星。這表明巨新星普遍存在，是引力波事件的極佳電磁輻射對應(yīng)體^[12]。與幾乎只能在極窄的噴流方向上才能探測到的短暴不同，引力波與巨新星信號可以在極寬的角度范圍內(nèi)被探測到，因此巨新星與引力波事件的成協(xié)性將更為普遍。

(a) GRB 050709的光學(xué)輻射；(b) GRB 050709光學(xué)輻射扣除余輝成分后留下的“奇異”信號與“中子星黑洞并合模型預(yù)期的巨新星輻射”的比較；(c) 2.5天處的“奇異”能譜與一個巨新星模型預(yù)言的比較^[12]。

此次引力波事件，同時觀測到了對應(yīng)的千新星事件與伽馬暴事件，印證了之前一連串的理論、觀測研究，無疑是令人振奮的。同時這也預(yù)示著，致密星并和事件與引力波、千新星、短暴等事件將會有強(qiáng)烈的相關(guān)性，在今后的觀測中，可以相互作為指引，使得我們對相關(guān)事件的觀測更加高效、有針對性。

LIGO和VIRGO直接探測到中子星—中子星并合事件所產(chǎn)生的引力波，以及對中子星并合過程的研究，又有著怎樣的科學(xué)意義呢？我們可以舉些直觀的例子。在前文中我們提到，一些碰撞過程中產(chǎn)生的碎屑會離開中心天體。這些碎屑質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的0.001倍到0.1倍，速度則在光速的10%到30%之間^[13]。這些碎屑會像超新星爆發(fā)那樣以近球狀濺射開來，并很可能作為快速中子捕捉過程（r-process）的發(fā)生地存在^[7]?？焖僦凶硬蹲竭^程被認(rèn)作是生成比鐵元素更重的元素的重要來源：重核在放射性衰變尚未發(fā)生以前就捕獲中子，從而生成更重的元素（如金、銀等）。因此，對中子星并合過程及其噴射出的碎屑的研究，或許能一定程度解答原子序數(shù)大于56（鐵）的元素如何生成這一難題。

金晶體 by Alchemist-hp from wikipedia

除了有助于研究重元素的生成機(jī)制，直接探測到中子星-中子星并合過程產(chǎn)生的引力波為科學(xué)家們帶來的益處要比探測雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波來得多^[14]。首先，中子星-中子星的并合過程可以伴隨電磁波對應(yīng)體的觀測。盡管VITGO的加入讓當(dāng)前引力波觀測在探測事件發(fā)生方位上精度提高了十倍，但較于有確定的電磁波對應(yīng)體的精度仍有很大距離。電磁波對應(yīng)體的精確定位，能夠讓科學(xué)家們了解雙子星對并合與周圍電磁場、星系介質(zhì)等有更多的認(rèn)識。另外，由于中子星是天然的超高密度天體，中子星對及其并合過程的研究對短伽瑪暴起源、超高密度物理等研究領(lǐng)域也大有裨益。

AST3-2在8月18日觀測窗口期內(nèi)引力波光學(xué)信號（紅色方框內(nèi)）。

自北京時間2017年8月18日21:10起（即距離引力波事件發(fā)生24小時后），中國南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3合作團(tuán)隊(duì)利用正在中國南極昆侖站運(yùn)行的第2臺望遠(yuǎn)鏡AST3-2對GW 170817開展了有效的觀測，此次觀測持續(xù)到8月28日，期間獲得了大量的重要數(shù)據(jù)，并探測到此次引力波事件的光學(xué)信號（圖1）。這些數(shù)據(jù)揭示了此次雙中子星并合拋射出約1 %太陽質(zhì)量（超過3000 個地球質(zhì)量）的物質(zhì)，這些物質(zhì)以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質(zhì)核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了雙中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源地。

第二臺南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2

AST3-2是我國在昆侖站安裝的第二臺南極巡天望遠(yuǎn)鏡。其有效通光口徑50厘米，是南極現(xiàn)有最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并且完全實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下的無人值守全自動觀測。目前，AST3-2主要進(jìn)行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學(xué)對應(yīng)體探測等天文研究。

今年是中子星發(fā)現(xiàn)50周年，本次引力波探測事件的發(fā)布可說是錦上添花。從科學(xué)層面考量，這一事件的探測暗示著雙中子星并合事件的發(fā)生幾率比此前預(yù)計(jì)得可能更為樂觀。可以預(yù)見，對中子星并合事件的引力波探測和其它研究工作還將繼續(xù)，并在未來獲得更多令人可喜的科學(xué)成果。