海歸學(xué)者發(fā)起的公益學(xué)術(shù)平臺(tái)

分享信息，整合資源

交流學(xué)術(shù)，偶爾風(fēng)月

時(shí)空與物質(zhì)、廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的完美結(jié)合

四個(gè)天文發(fā)現(xiàn)：GW170817（引力波），GRB170817A（伽瑪暴）和SSS17a（千新星）以及確認(rèn)它們的宿主星系NGC4993

加州理工學(xué)院 陳雁北 

湖北第二師范學(xué)院 范錫龍

（排名不分先后，同等貢獻(xiàn)，共同通訊）

2017年8月17日，12點(diǎn)41分20秒(UTC)，也就是北京時(shí)間20點(diǎn)41分20秒，NASA的費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)出了一個(gè)GRB170817A的伽瑪射線暴報(bào)警，這是一次到達(dá)時(shí)間在20點(diǎn)41分06秒的短伽瑪射線暴。

綠色的輪廓是引力波探測對(duì)GW170817在天空中的定位（淺綠色的兩個(gè)輪廓是LIGO的定位范圍，而深綠色的輪廓是加入Virgo以后的定位范圍），藍(lán)色輪廓是伽馬射線探測器對(duì)GRB170817A的定位。標(biāo)有Swope的灰色插圖是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)SSS17a的定位，而標(biāo)有DLT40的灰色插圖是在事件前的對(duì)照，上面灰色圖多出的小點(diǎn)是SSS17a，而兩者都有的大黑點(diǎn)是NGC4993星系。

六分鐘后，LIGO的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析程序也在Hanford觀測站的數(shù)據(jù)中自動(dòng)找到了可能對(duì)應(yīng)于兩個(gè)致密星體碰撞發(fā)出的引力波信號(hào)，引力波碰撞信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間是20點(diǎn)41分04秒，比伽馬射線早約2秒。LIGO和Virgo團(tuán)隊(duì)的快速反應(yīng)小組馬上人工確認(rèn)了信號(hào)具有高置信度，并且初步估計(jì)了信號(hào)在天空中的方位，與GRB170817A在誤差范圍內(nèi)一致。非常幸運(yùn)的是，剛上線不久的Virgo，雖然靈敏度尚趕不上LIGO，但是大大縮小了定位的誤差。這個(gè)引力波事件被定名為GW170817。

1971年投入使用的Swope望遠(yuǎn)鏡 (左)。該望遠(yuǎn)鏡坐落于智利，是美國卡內(nèi)基天文研究院的天文學(xué)家Henrietta Swope (1902-1980，右圖) 捐資建造的。

很快，GRB70817A和GW170817 方位被發(fā)布給了早有準(zhǔn)備的70多個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)。由于信號(hào)的位置正好在澳大利亞上空，而光學(xué)天文觀測只能在夜晚進(jìn)行，并且只能往天上看（但是引力波探測器則不受地球的遮擋），這就給了智利和南非的天文學(xué)家先機(jī)。結(jié)果，坐落在智利的Swope望遠(yuǎn)鏡（一個(gè)1971年建造的，按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)不怎么起眼的1米口徑望遠(yuǎn)鏡）拔了頭籌，率先在NGC4993星系附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新出現(xiàn)的亮斑。這個(gè)光學(xué)瞬變過程，被定為SSSS17a?！靖敿?xì)跟蹤觀測流程見知社引力波天文學(xué)之一：尋覓引力波源電磁對(duì)應(yīng)體】

NGC4993是德國天文學(xué)家Wilheml Hershel (1738-1822) 在1789年發(fā)現(xiàn)的。 該星系距離地球1億3千萬光年，方向上位于長蛇座。

在后續(xù)的幾個(gè)星期里，天文學(xué)家們利用其他位于地面、空間和地下的天文觀測站，在電磁波的各個(gè)波段 (從伽馬射線、X光、紫外，紅外，可見光，微波)，以及利用中微子探測技術(shù)，對(duì)這個(gè)已經(jīng)由三個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的引力波觀測站 (LIGO Hanford, LIGO Livingston和Virgo)、伽馬射線，和可見光都探測到的天文事件進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)的研究。

天文學(xué)家們認(rèn)定，這是一次雙中子星的碰撞事件。引力波GW170817的觀測，讓我們測量了兩個(gè)中子星的質(zhì)量。伽馬射線暴GRB170817A，讓我們認(rèn)識(shí)到中子星碰撞后有物質(zhì)被高速拋出；后續(xù)的紫外、可見和紅外光學(xué)觀測和不同譜段光強(qiáng)的分析，讓我們初步確定發(fā)光來自于重元素的衰變，確立了SSS17a是一個(gè)千新星。X光和射電 (微波波段的無線電) 觀測，讓我們更好地了解了爆炸的能量，拋出物質(zhì)的狀況，以及爆炸周圍的環(huán)境。

這樣，天文學(xué)家們就初步確認(rèn)了“短伽馬射線暴”的物理起源，初步確認(rèn)了中子星的存在并且了解了它的成分，而且對(duì)宇宙中重元素的起源，有了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過對(duì)引力波強(qiáng)度的測量，我們獨(dú)立測量了NGC4993這個(gè)星系和地球距離，對(duì)宇宙膨脹的速率，以及宇宙的年齡又多了一個(gè)獨(dú)立的測量方法。通過對(duì)引力波和電磁波到達(dá)時(shí)間，我們對(duì)引力波的速度也有了新的測量。

2015年，人類首次捕捉到黑洞發(fā)出的引力波 。我們不但證實(shí)了引力波這種時(shí)空的漣漪可以在宇宙空間中產(chǎn)生、傳播，并且和地球上的儀器發(fā)生作用，也開始近距離地觀測黑洞周圍高度扭曲變形的時(shí)空。前幾次對(duì)黑洞的觀測，讓物理學(xué)家異常興奮，而這次對(duì)雙中子星碰撞的探測，真可以說是各個(gè)波段的天文學(xué)家們集體的盛宴。

二十世紀(jì)物理學(xué)的兩大進(jìn)展，是廣義相對(duì)論和量子力學(xué)。如果說，測量到從黑洞發(fā)出的引力波是廣義相對(duì)論的勝利，這次的觀測也可以說是廣義相對(duì)論和量子力學(xué)雙劍合璧的勝利，并且讓人類對(duì)宇宙的起源、演化和成分有了更深入的了解。

量子力學(xué)：原子、原子核

也許有人會(huì)說，中子星？而且還是一億多光年以外的？這跟我有什么半毛錢關(guān)系嗎？

說到錢，我們都會(huì)想到金子，這個(gè)元素周期表中最討人喜歡的元素。從科學(xué)的角度，金是第79號(hào)元素，原子核外面有79個(gè)電子。金原子核有79個(gè)質(zhì)子，但是可以有不同數(shù)目的中子，這些不同的版本，叫做“同位素”。其中，79個(gè)質(zhì)子和118個(gè)中子的版本，即金197，是唯一穩(wěn)定的同位素。

金不但化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而且在自然界中非常稀少。在人類社會(huì)里面，金子象征著尊貴。本來300美元的手表，如果換成金子做的外殼，就可以賣10000美元。粉色，這個(gè)原本有點(diǎn)兒曖昧的顏色，如果改叫“玫瑰金”，也突然就變得高大上了起來。這次發(fā)現(xiàn)的雙中子星碰撞事件，可以讓我們更好地了解宇宙中金子的起源。核天體物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙中的大部分金子，可能都是由這次觀測到的這種碰撞所產(chǎn)生的！

在20世紀(jì)初，物理學(xué)家糾結(jié)著這樣一系列問題：帶負(fù)電的電子在原子核外面運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，應(yīng)該發(fā)出輻射。輻射以后釋放了能量，不是正好可以掉到帶正電的原子核上面，跟它“中和”嗎？

要回答這個(gè)令人困擾的問題，首先需要引入量子力學(xué)的概念。在量子力學(xué)里面，電子并不是圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，而是以波的形式彌漫在原子核周圍。電子的相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)叫做“能級(jí)”，而電子在能級(jí)之間的“躍遷”會(huì)釋放出光子。在所有的能級(jí)中，有一個(gè)能量最低的叫做“基態(tài)”。電子在基態(tài)的時(shí)候，也會(huì)和周圍的電磁場有一定的作用，但是并不會(huì)發(fā)出光，也不會(huì)掉到能量更低的狀態(tài)。

電子除了具有“波動(dòng)性”，還是一種滿足“泡利不相容原理”的“費(fèi)米子”。不能有多于一個(gè)占據(jù)在同樣的狀態(tài)上。換句話說，與其說我有幾個(gè)粒子，想把他們分別放置到不同的量子態(tài)上，不如說，我就有這么一些個(gè)允許的狀態(tài)，在這些狀態(tài)上要么有粒子，要么沒有粒子。泡利不相容原理，就使得原子核外的電子只能從低能往高能排，依次占有這些能級(jí)。這就是元素周期表背后的物理。所謂的化學(xué)反應(yīng)，主要是由原子核外的電子的運(yùn)動(dòng)決定的。

其次，就是以前我們所說的正負(fù)電荷中和。我們在日常生活中看到的所謂“中和”，其實(shí)都是電子的轉(zhuǎn)移。帶正電的所謂的“電荷”，其實(shí)是缺少電子。帶負(fù)電的所謂的“電荷”，其實(shí)是有多余的電子。兩者的中和，其實(shí)是電子的轉(zhuǎn)移過程。

在粒子的層次上，帶負(fù)電的電子，跟帶正電的質(zhì)子，并不能簡單的“中和”。他們可以參與核反應(yīng)，形成中子，并且釋放一個(gè)中微子。這是一個(gè)所謂的弱相互作用過程。

在空間中自由運(yùn)動(dòng)的中子是不穩(wěn)定的，它也會(huì)通過弱相互作用，衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子，一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，這叫做beta-衰變。

既然中子可以衰變，就意味著它不是能量最低的一個(gè)狀態(tài)，所以在一般情況下，想讓質(zhì)子和電子“中和”，是需要外界提供能量的，于是，這就保證了原子的穩(wěn)定性。

質(zhì)子和中子之間的相互作用、相互轉(zhuǎn)化、以及相互結(jié)合，決定了原子核的結(jié)構(gòu)和變化。不同的原子核之間也會(huì)發(fā)生一系列的核反應(yīng)，從一種元素變到另外一種元素。

宇宙中各種元素的生成

根據(jù)天文觀測，當(dāng)今宇宙中的元素，各占有一定的比例，叫做“豐度”。物理學(xué)家希望可以從大爆炸宇宙學(xué)，從物理原理出發(fā)，直接推導(dǎo)出宇宙中元素的豐度。 

太陽系中各元素的豐度。（來源：Wikipedia）

根據(jù)現(xiàn)在的理論，在大爆炸初期，宇宙的溫度很高，充滿了熱輻射（“要有光！”）。當(dāng)宇宙不斷的膨脹，溫度就會(huì)降低，從熱輻射中就會(huì)逐漸形成一些質(zhì)量比較小的粒子，如正負(fù)電子，再以后，會(huì)形成質(zhì)子和中子。質(zhì)子本身就是氫原子核的一種。當(dāng)溫度不斷下降，這些質(zhì)子和中子會(huì)通過核反應(yīng)，“凝結(jié)”成更重的元素，比如氦和鋰，還有氫的另外兩個(gè)同位素，氘和氚?？墒牵朔磻?yīng)不光和溫度有關(guān)，也和各個(gè)成分的濃度有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)在的理論，早期宇宙降溫和膨脹的過程很快，來不及產(chǎn)生比鋰更重的元素。那么，構(gòu)成和支持生命的碳、氧、氮、硫、磷、鈣、鈉等等這些元素，都是從哪里來的呢？這要從太陽為什么會(huì)發(fā)光開始。

各類元素在我們?nèi)梭w中的貢獻(xiàn)。

太陽和其他的恒星，它們的主要成分都是氫和氦，能發(fā)光是因?yàn)閮?nèi)部的核聚變反應(yīng)。這些聚變反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一些比鋰重的重元素，但是并不會(huì)產(chǎn)生比鐵還重的元素。這是因?yàn)殍F原子核里面的質(zhì)子和中子比較“團(tuán)結(jié)”，結(jié)合能最高。鐵核要想聚變變到更高的元素的時(shí)候，是要吸熱的。 而且，就算恒星燃燒產(chǎn)生了重元素，這些元素是怎么到達(dá)地球上的呢？我們的金子那里來的呢？ 這要從恒星歸宿的說起。。。

恒星的死亡：白矮星、中子星和黑洞

恒星燃燒完核燃料的時(shí)候，物質(zhì)就會(huì)在引力作用下聚集，會(huì)變得致密。但是，最后要被物質(zhì)之間的斥力所平衡才能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)（否則就會(huì)形成黑洞）。當(dāng)原子彼此很接近的時(shí)候，為什么會(huì)有斥力呢？這還是要回到剛才說過的“泡利不相容原理”。當(dāng)一群電子被壓縮到很小的空間里面，因?yàn)樗鼈兊奈恢枚急幌拗圃谝粋€(gè)小范圍內(nèi)，為了有不同的量子態(tài)，它們必須具有很不同的“速度”。這樣，更高的“速度”就導(dǎo)致了有更高的能量。既然壓縮電子占有的空間需要提供能量，這就是一種斥力了。這叫做“簡并壓”。當(dāng)太陽燃燒完燃料以后，會(huì)變成一個(gè)由電子的簡并壓支撐的“白矮星“。

太陽的半徑是70萬公里，是地球的110倍，而同等質(zhì)量的白矮星，其半徑是7000公里左右，跟地球差不多。兩者的體積，相差一百多萬倍！順便說一句，有一類白矮星核心是碳，和鉆石是一類元素，重量可以和太陽比噸位！

在1934年，錢德拉塞卡論證說，質(zhì)量足夠大的星體，引力的作用非常強(qiáng)，星體內(nèi)的電子會(huì)被推向更高的速度，以至于速度會(huì)接近光速。在這樣的情況下，如果質(zhì)量進(jìn)一步增加，“相對(duì)論性電子”的簡并壓不夠抵御引力，星體必須塌縮！這時(shí)候，就回到了電子和質(zhì)子“中和”的過程：電子和質(zhì)子會(huì)形成一個(gè)中子，但是放出一個(gè)中微子。錢德拉塞卡論證的質(zhì)量極限是1.4倍的太陽質(zhì)量。

但是愛丁頓爵士，這個(gè)借給錢德拉塞卡Braunschweiger計(jì)算器得出上述結(jié)果的著名科學(xué)家在學(xué)術(shù)大會(huì)上多次當(dāng)面懟錢德拉塞卡的計(jì)算結(jié)果。本來學(xué)術(shù)互相懟是科學(xué)進(jìn)步的動(dòng)力之一。但是，相當(dāng)詭異的是，相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，其他科學(xué)家沒有一個(gè)人公開站出來力挺真理，即便不少人私下認(rèn)可錢德拉塞卡的計(jì)算。連泡利，這個(gè)評(píng)價(jià)別人“Not even wrong”的“conscience of physics”， 也沒有公開支持錢德拉塞卡。1939年之后，在近40年的時(shí)間里錢德拉塞卡再也沒碰這個(gè)領(lǐng)域（偏激學(xué)霸害人害科學(xué)?。。。。?。好在科學(xué)不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)人而停止腳步，總會(huì)自我修正：“錢德拉塞卡極限”這一個(gè)科學(xué)術(shù)語已經(jīng)在教科書上冷靜地為這段科學(xué)史花了一個(gè)句號(hào)。

上面說的塌縮過程，發(fā)生在初始質(zhì)量超過10倍太陽質(zhì)量的恒星。如果初始質(zhì)量在大約25倍以下，這塌縮過程會(huì)使星體的核心部分塌縮成一個(gè)中子星，并且釋放能量，使外層的物質(zhì)產(chǎn)生劇烈的爆炸。這個(gè)爆炸發(fā)出的光，就是天文學(xué)中的“超新星”。理論計(jì)算表明，初始質(zhì)量更大的恒星，很可能直接塌縮成一個(gè)黑洞，而不經(jīng)過超新星爆發(fā)這個(gè)階段。

《宋史志卷九》：“至和元年五月己丑，出天關(guān)東南可數(shù)寸，歲余稍沒?！?/span>

人類文明史上肉眼可見的最著名的“超新星”就是1054年7月4日（宋仁宗至和元年的五月己丑）大約寅時(shí)出現(xiàn)的、特亮的“天關(guān)客星”。現(xiàn)在這個(gè)“天關(guān)客星”超新星遺跡是非常著名的“蟹狀星云”。1968年“蟹狀星云”中心發(fā)現(xiàn)了一顆發(fā)射射電脈沖的天體（脈沖星），其自轉(zhuǎn)周期為33毫秒（即每秒自轉(zhuǎn)30次），這顆脈沖星的物理本質(zhì)是一個(gè)中子星。 于是本文的主角天體，中子星隆重出場:

“五色和一”的蟹狀星云

中子星的結(jié)構(gòu)

雖然前面說過，自由空間中的中子是不穩(wěn)定的，會(huì)衰變成質(zhì)子，電子和反中微子，半衰期約為10.2分鐘。但是在死亡了的大質(zhì)量恒星內(nèi)部，由引力所產(chǎn)生的巨大壓力下，中子確可以成為很穩(wěn)定的物質(zhì)組成單元。中子和電子一樣，也是費(fèi)米子，而中子的簡并壓，就提供了抵抗引力的斥力。這樣一來，聚集在一起的大量中子（和少量質(zhì)子、電子和其他粒子），可以形成一個(gè)由引力（廣義相對(duì)論）和費(fèi)米簡并壓（量子力學(xué)）所支配的，宏觀量子系統(tǒng)。有些物理學(xué)家推斷，中子星的內(nèi)部核心是超流體和超導(dǎo)體，中子的流動(dòng)不受到粘滯力（即摩擦力）的阻礙，電流的傳導(dǎo)也不受到電阻的影響。

本來是用來解釋微觀世界的量子力學(xué)，竟然也可以應(yīng)用到中子星這樣大尺度、大質(zhì)量、強(qiáng)引力的物體，是對(duì)物理原理適用范圍很大的挑戰(zhàn)。

應(yīng)該說，中子星的具體結(jié)構(gòu)，其實(shí)還是物理學(xué)中的一個(gè)難題。有些物理學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)組成中子的夸克（頂夸克和底夸克）被釋放出來，并且通過強(qiáng)相互作用形成奇異夸克，會(huì)形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，于是認(rèn)為其實(shí)中子星是由夸克組成的夸克星。除了夸克星之外，還有更大膽的猜想，如孤子星(Soliton Star)、玻色星(Boson Star)和引力星(Gravastar)。其中，孤子星是根據(jù)李政道先生和合作者Friedberg在1976年提出的量子場真空的“非拓?fù)涔伦印备拍睢?/p>

從理論上計(jì)算中子星的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)很困難的問題，支配強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)，在中子星的能量范圍上是很難計(jì)算的。所以，直接觀測中子星，是真正了解這些宏觀量子物體的關(guān)鍵。根據(jù)天文學(xué)家估計(jì)，光銀河系里面，就有10億顆這樣的宏觀量子物體。

中子星只比北京的四環(huán)路大一點(diǎn)。箭頭所指是清華大學(xué)，大陸地區(qū)唯一LVC工作組所在地。C@王毅雄

脈沖星、脈沖雙星和引力波存在的證據(jù)

在天文觀測上，中子星一般都在一個(gè)和兩個(gè)太陽質(zhì)量之間。根據(jù)理論計(jì)算和觀測推斷，中子星的半徑在5到10公里，尺寸是前面說過的白矮星的千分之一，只比北京的四環(huán)路大一點(diǎn)。我們對(duì)中子星的觀測，主要是因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的頻率很穩(wěn)定的電磁脈沖，這是由于中子星的磁場對(duì)周圍帶電粒子的加速所產(chǎn)生的。這樣連續(xù)不斷發(fā)出脈沖的中子星，就是上面提到的脈沖星。有一種中子星轉(zhuǎn)的非常非常非?？欤泻撩朊}沖星，也就是說周期是毫秒量級(jí)的?，F(xiàn)在已知旋轉(zhuǎn)頻率最高的脈沖星是PSR J1748-2446ad，每秒鐘轉(zhuǎn)716次。據(jù)估計(jì)，它的表面轉(zhuǎn)動(dòng)速度大約是四分之一光速，是個(gè)相對(duì)論性的物體！

脈沖星在引力波科學(xué)上起到了很重要的作用。1974年，天文學(xué)家Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了PSR B1913+16的脈沖星，并且認(rèn)定這是一對(duì)雙星。這對(duì)雙星的運(yùn)動(dòng)速度很快，達(dá)到了450km/s，在這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)中顯現(xiàn)出了廣義相對(duì)論效應(yīng)，如軌道的進(jìn)動(dòng)，以及電磁波在引力場中傳播的延遲。在進(jìn)一步的觀測中，他們發(fā)現(xiàn)這對(duì)雙星的軌道在不斷縮小，頻率不斷上升，并且確認(rèn)，這是由于引力波輻射所導(dǎo)致的能量損失。這兩位科學(xué)家于1993年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

根據(jù)廣義相對(duì)論的計(jì)算，Hulse-Taylor脈沖雙星將在3億多年以后并合，成為地面引力波探測器的理想波源。這個(gè)脈沖星，以及后續(xù)發(fā)現(xiàn)的脈沖星，讓引力波科學(xué)家可以對(duì)雙中子星并合的發(fā)生率進(jìn)行粗略的估計(jì)，推斷出在銀河系這樣的星系，大約幾百萬年就會(huì)有一次雙中子星碰撞。這給地面引力波探測器靈敏度的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)：如果LIGO可以同時(shí)對(duì)幾百萬個(gè)星系進(jìn)行觀測，那么就又可能平均每年看到一次雙中子星碰撞的事件。

要“覆蓋”幾百萬個(gè)星系，需要能探測到幾億光年的距離以外發(fā)生的中子星碰撞。

中子星和引力波的淵源不僅僅限于作證引力波的存在性。只要中子星不是完美的球體（更精確地說，只要它不是沿旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)堆成的），比如上面長一個(gè)小山，那么它由于轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)連續(xù)的發(fā)射引力波。由于在LIGO的靈敏度下，還沒有探測到這樣的連續(xù)引力波，但是我們可以推斷，在已知的200顆脈沖星里面，如果有任何高等生命拜訪過，那么“他們”留下的痕跡不能超過大約幾十厘米小鼓包，有的甚至不能超過0.1毫米。引力波輻射攜帶能量， 因此脈沖星應(yīng)該越轉(zhuǎn)越慢。但是脈沖星減速的原因可能很多。 如果假定旋轉(zhuǎn)減速完全是因?yàn)檩椛湟Σ?，那么測量旋轉(zhuǎn)減速就可以給出引力波的上限。 上面提到的蟹狀星云脈沖星是第一個(gè)通過LIGO觀測數(shù)據(jù)突破旋轉(zhuǎn)減速極限而給出更精確的引力波輻射上限的中子星。（詳情參見知社引力波天文學(xué)之七：更多源，更有趣）

宇宙中元素起源的謎團(tuán)

宇宙的大爆炸理論，讓科學(xué)家可以預(yù)測鋰以下的輕元素的來源。恒星內(nèi)部的核反應(yīng)，以及超新星爆發(fā)，讓我們找到了重元素的起源。但是，天文學(xué)家從超新星遺跡里面沒有發(fā)現(xiàn)足夠多的重元素。于是，比鐵重的元素的起源，又一次成為了謎團(tuán)。核物理學(xué)家認(rèn)為，想要形成足夠多這樣的元素，必須在中子密度很高的環(huán)境里，通過所謂的r-過程。在這個(gè)過程中，要有大量的中子注入原子核，并且注入的速率大于反應(yīng)中間產(chǎn)物衰變的速率。

宇宙中元素的起源：紫色的元素在理論上認(rèn)為是由中子星碰撞產(chǎn)生的。（Wikipedia）

伽馬射線暴與千新星

為了解決元素起源的謎團(tuán)，天文家找到了另外一個(gè)可以發(fā)生r過程的地方，就是中子星的碰撞。

之前就有天文學(xué)家猜測，在中子星碰撞之后，被甩出的大量高速運(yùn)動(dòng)的中子，不但會(huì)發(fā)出伽馬射線，從而對(duì)應(yīng)于天文學(xué)中觀測到的短伽馬射線暴，也會(huì)通過r過程進(jìn)行核反應(yīng)，而核反應(yīng)產(chǎn)生重元素的衰變就會(huì)產(chǎn)生光學(xué)上的千新星現(xiàn)象。

理論天體物理學(xué)家猜測的雙中子星-伽馬射線暴-千新星模型，在這次的觀測中被印證（圖B.Metzger）

具體的說，兩個(gè)中子星并合之后，理論預(yù)言有三個(gè)可能演化途徑，一個(gè)是直接變成了黑洞，另外一個(gè)是因?yàn)樾D(zhuǎn)能等作用，會(huì)有一個(gè)磁性中子星存活一段時(shí)間（小于約100毫秒），然后再變成了黑洞，還有一個(gè)可能是并合后的中子星質(zhì)量比小，中子星一直存在。無論如果，這個(gè)碰撞過程會(huì)拋射出物質(zhì)，大家也相信中間核心天體周圍形成一個(gè)吸積盤。這些拋出的物質(zhì)發(fā)生r-過程（產(chǎn)生了我們需要的金子！），這些物質(zhì)還和周圍星際介質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生。當(dāng)然，天文學(xué)家看到是短伽馬射線暴和千新星等現(xiàn)象。（詳情請見知社引力波天文學(xué)之二：宇宙中閃耀的倩影：伽瑪暴和之九：黎明的前夜-引力波多信使時(shí)代）

本次發(fā)現(xiàn)的SSS17a（千新星）和伽馬射線暴GRB170817A成對(duì)出現(xiàn)，是第一個(gè)實(shí)時(shí)觀測到的比較堅(jiān)實(shí)的短伽馬暴與千新星有物理聯(lián)系的證據(jù)。

引力波和不同電磁波段上對(duì)這次中子星碰撞的觀測

這次的伽馬射線暴GRB170817A非常不同一般。 雖然它非常的近，只有40兆秒差距(1.3億光年)，之前觀測到最近的短伽馬爆大約比這個(gè)遠(yuǎn)10倍。  但是GRB170817A的光度非常低（非常暗）！暗到什么程度呢？它的絕對(duì)光度比之前觀測到最暗的短伽馬爆還暗大約500多倍！之前關(guān)于伽馬射線暴光度分布的模型完全失效。至于為什么它這么暗？天體物理學(xué)家們又發(fā)表了幾篇“頂級(jí)期刊“的文章。

據(jù)說， VLT X-shooter望遠(yuǎn)鏡在光學(xué)余暉中探測到了鑭系元素。所以， 我們確實(shí)對(duì)于重元素的起源有了新的觀測證據(jù)。至于是不是雙中子星并合完全解決了之前重元素的問題， 那還是得取決于到底整個(gè)雙中子星群組有多少和并合事件發(fā)生概率是多少（是的，一個(gè)源我們就可以限制事件概率?。?nbsp;

當(dāng)然，這個(gè)有金子的推論應(yīng)該是根據(jù)光變曲線和理論模型，認(rèn)為這次光學(xué)對(duì)應(yīng)體應(yīng)該是千新星的r過程產(chǎn)生的， 而r過程應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生金子。至于一次雙中子星并合能產(chǎn)生多少金子， 還不是很確定。比如，從這次觀測估計(jì)的拋射物質(zhì)的范圍是一個(gè)數(shù)量級(jí)，0.001-0.01個(gè)太陽質(zhì)量（1個(gè)太陽質(zhì)量= 332946個(gè)地球質(zhì)量），不是非常的精確。

第二臺(tái)南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2。Science Bulletin物理學(xué)與天文學(xué)執(zhí)行主編、清華大學(xué)龍魯桂教授對(duì)知社介紹說，我們很高興抓住了機(jī)會(huì)，和PRL、Science、Nature等同步刊登這一重大發(fā)現(xiàn)。Science Bulletin要辦成和Science、Nature鼎立的國際頂尖期刊，為中國學(xué)者提供更多的話語權(quán)和發(fā)表優(yōu)先權(quán)。

據(jù)了解，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(tái)望遠(yuǎn)鏡AST3-2 對(duì)GW 170817開展了有效的觀測，揭示了此次雙中子星并合拋射出約1 %太陽質(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。論文今天同步發(fā)表于Science Bulletin. 

講了半天，這是一個(gè)淘金的歷程。。。

時(shí)間頻率圖上的雙中子星碰撞引力波信號(hào)（左圖），以及引力波對(duì)兩個(gè)中子星質(zhì)量的測量（右圖）

引力波波形：果然是雙中子星嗎？

我們說了半天“雙中子星”，到底果然是嗎？應(yīng)該說，從伽馬射線和電磁對(duì)應(yīng)體來看，可能至少有一個(gè)中子星（或者是含有一定量中子的星），而從引力波來看，我們可以確定是一個(gè)雙體繞轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。

從引力波的波形，我們可以測量兩個(gè)星體的質(zhì)量和自旋。不加入對(duì)星體自旋（即旋轉(zhuǎn)）的假設(shè)，那么我們對(duì)質(zhì)量的測量結(jié)果在0.86到2.26太陽質(zhì)量之間，雖然和中子星一致，但是也不能完全排除黑洞的可能性，或者是我們前面討論的其他星體。如果假設(shè)這兩個(gè)物體的自旋跟中子星的量級(jí)一致，則得到質(zhì)量在1.17到1.60太陽質(zhì)量之間，跟已經(jīng)觀測到的脈沖雙星里面中子星的質(zhì)量非常一致。

所以說，雙中子星這個(gè)圖像，跟這次的數(shù)據(jù)是吻合的。

引力波信號(hào)對(duì)中子星形變系數(shù)的限制。左圖假定自旋的上限是極端黑洞的自旋，而右圖采用中子星自旋上限。

想要通過引力波細(xì)致研究星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就要看雙星之間的潮汐作用對(duì)引力波的影響。月亮和太陽可以在地球上引起潮汐，讓地球不同位置上海面的高度周期性的變化。雙星中星體之間的引力場，也會(huì)引起它們各自的形變，而這個(gè)形變的大小，會(huì)依賴于星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。潮汐導(dǎo)致的形變，會(huì)影響雙星發(fā)出的引力波波形的細(xì)節(jié)，尤其是在引力波的高頻部分。在這次的事件中，我們沒有檢測到中子星的潮汐形變，只是對(duì)形變系數(shù)設(shè)定了上限。這個(gè)上線，已經(jīng)可以排除一些現(xiàn)有的中子星結(jié)構(gòu)模型。

GW170817（引力波），GRB170817A（伽瑪暴）和SSS17a（千新星）以及它們的宿主星系NGC4993 相互印證，更加確認(rèn)了這次是一次雙中子星并合事件。而宿主星系NGC4993還有更重要的作用，至關(guān)我們對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)。

哈勃常數(shù)與宇宙演化

從宇宙中的“金礦”的天體物理擴(kuò)大到整個(gè)宇宙的演化?？茖W(xué)家認(rèn)為，宇宙誕生于“大爆炸”，并且從那一開始，就一直在膨脹。在最近的幾億年，膨脹的速率竟然有所加快！中子星發(fā)出的引力波，給科學(xué)家提供了一個(gè)新的方法來測量宇宙膨脹的速度。

1929 年，美國天文學(xué)家哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)，離地球較遠(yuǎn)的星系，就會(huì)以更快的速度遠(yuǎn)離地球。遠(yuǎn)離的速度（也就是“退行速度”）大致和星系和地球的距離成正比。我們可以想象，在一個(gè)膨脹的氣球上的相鄰點(diǎn)，也是距離越遠(yuǎn)，相對(duì)速度越大。于是，哈勃的觀測結(jié)果，意味著宇宙在膨脹中，這就開啟了宇宙學(xué)的新時(shí)代。粗略的說，哈勃利用了一種變星已知的發(fā)光強(qiáng)度，跟在地球上接收到的光強(qiáng)比對(duì)，來測量星系到地球的距離。而星系相對(duì)于我們的速度，哈勃是利用星系的發(fā)射光譜相對(duì)于地球上同樣元素的光譜往波長更長方向的多普勒移動(dòng)測出。

宇宙學(xué)中的哈勃常數(shù)，就是星系相對(duì)速度和相對(duì)距離的比值，反映了宇宙膨脹的速率。應(yīng)該指出，不是每一個(gè)星系都是按照哈勃定律的速度退行，哈勃定律是一個(gè)不同星系取平均以后的結(jié)果。在宇宙學(xué)中，把按哈勃定律推行的軌跡叫做“哈勃流”，它反應(yīng)了宇宙膨脹的平均效果。物體退行速度和哈勃流的區(qū)別，叫做本動(dòng)速度（peculiar velocity）。

對(duì)于哈勃常數(shù)，有三種不同的“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)探針”來進(jìn)行測量。第一類是利用恒星尺度的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，Ia型超新星。這里我們利用的是超新星的絕對(duì)亮度和它的紅移。第二類是重子聲學(xué)震蕩，利用的是大尺度巡天，對(duì)宇宙演化不同階段星系分布密度的測量。第三類是用宇宙微波背景輻射，這種人類能夠觀測到的宇宙中最古來的光，測量的是宇宙剛剛冷卻膨脹到光可以自由傳播的時(shí)候的物理性質(zhì)。

能用三種依賴于宇宙不同年齡時(shí)候的物理性質(zhì)所作出的觀測來研究宇宙膨脹，標(biāo)志著宇宙學(xué)成為了一種高精度的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。然而，伴隨著儀器精度越來越高，結(jié)果越來越不和諧！利用第一個(gè)探針的測量組與利用第二第三探針測量組都99.9x% 的聲稱堅(jiān)決不同意對(duì)方的意見！  有人說宇宙學(xué)處在了十字路口。 這時(shí)候如果引力波和電磁波雙劍合璧，能出現(xiàn)什么結(jié)果呢？ 【參見知社引力波天文學(xué)之四：測到哈勃常數(shù)和之八：透鏡化引力波電磁波宇宙學(xué) | 引力波天文學(xué)】

Bernard F.Schutz在1986年提出，通過觀測雙星系統(tǒng)引力波波形，外加電磁波的信息一起來測量哈勃常數(shù)， 也稱“標(biāo)準(zhǔn)汽笛”方法。粗略的說， 通過引力波的波形和在不同探測器的相對(duì)強(qiáng)度，得到了波源的質(zhì)量和幾何位形之后，我們就知道它發(fā)出的引力波的絕對(duì)強(qiáng)度（這就是”標(biāo)準(zhǔn)“的意思），于是根據(jù)從在地面接受的波的強(qiáng)度，就可以測出距離了。

其實(shí)這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)汽笛”的稱呼是為了區(qū)別于光學(xué)觀測中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。使用“標(biāo)準(zhǔn)汽笛”的另外一個(gè)原因是“地面引力波的頻率在人耳分辨范圍內(nèi)”。不過，這個(gè)比方也不是完全的精確。首先，引力波是時(shí)空本身扭曲的傳播，不需要和汽笛的聲音傳播一樣需要介質(zhì)。聲音在空氣中傳播實(shí)質(zhì)上是空氣密度和壓強(qiáng)變化的傳播，真空中就算是喊破喉嚨，站在對(duì)面的人也不會(huì)聽到聲音。另外，聲波的壓強(qiáng)可以直接推動(dòng)耳膜，而引力波則不然。當(dāng)引力波到達(dá)人體的時(shí)候，是對(duì)人體的不同部分有不同的拉伸，其力量大小跟這個(gè)部位和人體重心的距離成正比。

對(duì)于哈勃常數(shù)的測量，這次使用了“可能的” 宿主星系的信息。 為什么是可能呢？因?yàn)槲覀冎皇歉鶕?jù)空間方位的信息，就“鎖定”了宿主星 NGC4993。 然后我們就由光學(xué)觀測所給出的NGC4993的退行速度

算出了哈勃常數(shù)：

其中v是由光學(xué)觀測得到的NGC4993的退行速度， 而d是 GW170817 由引力波測到的的距離。

這次的結(jié)果，跟以前的方法在統(tǒng)計(jì)上是一致的，因?yàn)檎`差還較大。其中一部分原因，是不能確定雙中子星的本動(dòng)速度，以及NGC4993的本動(dòng)速度，另外一部分原因是參數(shù)間并以及儀器校準(zhǔn)誤差等原因引力波距離估算的也不是非常準(zhǔn)確。這只能通過以后近一步的觀測加強(qiáng)。

在哈勃定律中，v是速度， d是距離， 距離除以速度是時(shí)間！ 所以“哈勃常數(shù)”的倒數(shù)就是“哈勃時(shí)間”。這說明，哈勃常數(shù)，跟宇宙的年齡有密切的聯(lián)系。最粗略的說，如果兩個(gè)物體距離為d，相對(duì)速度為v，如果這個(gè)速度不變，那么在d/v = 1/H時(shí)間之前，這兩個(gè)物體距離就是0。不過，宇宙的膨脹歷史遠(yuǎn)比這個(gè)復(fù)雜。把從GW170817測到的哈勃常數(shù)，和其他的觀測結(jié)果相結(jié)合，推算出的宇宙年齡大約為133億年。

檢驗(yàn)廣義相對(duì)論：引力波的傳播速度

最后，讓我們重新“審問”一下愛因斯坦。愛因斯坦本人寫下了廣義相對(duì)論，又因?yàn)榱孔恿W(xué)的一個(gè)效應(yīng)（光電效應(yīng)）拿到了諾貝爾獎(jiǎng)，還提出了著名的”EPR” 佯謬質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，卻在后來的科學(xué)生涯中獨(dú)立于當(dāng)時(shí)主流物理學(xué)發(fā)展，一個(gè)人致力于統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)。  大眾把愛因斯坦當(dāng)成了神一樣的存在，但是科學(xué)家們都想找到愛因斯坦的錯(cuò)誤。引力波就是一個(gè)很好的武器?，F(xiàn)在電磁波的加入可以說雙劍合璧一起向愛因斯坦發(fā)起挑戰(zhàn)【參見知社引力波天文學(xué)之五：早安，愛因斯坦先生和之六：弱等效原理的多信使檢驗(yàn)】。需要指出的是， 預(yù)言引力波存在的廣義相對(duì)論是愛因斯坦單腦子想出來的，沒有任何實(shí)驗(yàn)線索。這可能是物理學(xué)史上的唯一。

到目前為止，沒有一個(gè)其他任何自洽的引力理論能解釋所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以我們大部分檢驗(yàn)愛因斯坦引力理論都是測和廣義相對(duì)論理論預(yù)言的偏差，在引力波領(lǐng)域基本上就是利用引力波波形做文章（當(dāng)然也有例外，參見PRL：引力波速度測量新方法）。 

只看上面這個(gè)圖（通過觀測），我們只能看到是博爾特（引力波）比所有的選手（光子們）先到了。 但是，我們看不出有沒有人搶跑（引力波和電磁波發(fā)射時(shí)間是不是一樣）。 所以就算是他們跑同一個(gè)跑道，僅僅憑這個(gè)照片（觀測到的時(shí)間差），很難斷定博爾特（引力波）比別人（光子們）百米都跑的快。稍微類比一下認(rèn)定的到達(dá)時(shí)間差的復(fù)雜程度：如果把博爾特后面那個(gè)腳的到達(dá)時(shí)間和第二個(gè)選手前面那只腳到達(dá)時(shí)間認(rèn)定為到達(dá)時(shí)間差，那么所有結(jié)果就要重新寫。

廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的速度和光速一致。但是，憑什么愛因斯坦就是對(duì)的呢？我們得檢驗(yàn)一下啊！根據(jù)觀測， 引力波比伽馬射線先到達(dá)， 時(shí)間差被“認(rèn)定”為（1.74±0.05）秒。

這說明引力波比光速快嗎？

這里面還有很多學(xué)問。首先，根據(jù)模型，引力波是先發(fā)出，然后才接著有拋出的物質(zhì)，和伽馬射線，兩者之間本身就會(huì)有時(shí)間差。其次，伽馬射線、引力波的傳播都可能會(huì)受到物質(zhì)的影響。所以，根據(jù)到達(dá)時(shí)間差來判定傳播速度，需要引入一定的模型?？紤]到這一系列因素，我們推斷出，

這就說明，在實(shí)驗(yàn)誤差內(nèi)，引力波的速度跟光速一致。也就是說，愛因斯坦依然可以微笑。。。

展望

 這次的中子星并合來帶的多信使全方位觀測，標(biāo)志著包括引力波觀測的多信使天文學(xué)時(shí)代的到來，也是全球不同領(lǐng)域的科學(xué)家、科學(xué)團(tuán)隊(duì)團(tuán)結(jié)協(xié)作的典范。在今后，我們還會(huì)不斷的觀測到這樣的事件。

從引力波探測的角度，我們還需要更高的靈敏度。我們期待，未來可以觀測到中子星之間的潮汐相互作用，從而研究中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們還期待搜索中子星并合以后的引力波信號(hào)，以檢驗(yàn)并合的產(chǎn)物到底是中子星還是黑洞。不同種類的雙中子星碰撞，很可能會(huì)導(dǎo)致不同的產(chǎn)物。更多的數(shù)據(jù)，還會(huì)讓我們對(duì)宇宙中雙中子星碰撞的發(fā)生頻率、以及雙中子星的質(zhì)量分布進(jìn)行實(shí)際測量。我們還期待從未來的中子星并合過程中檢驗(yàn)到中微子，因?yàn)樗鼈冎苯訑y帶了核反應(yīng)的信息。

19世紀(jì)的最后一天，英國著名物理學(xué)家Thompson發(fā)表感慨：物理學(xué)大廈已經(jīng)落成，剩下的只有修補(bǔ)的工作，這就好比“晴朗的天空上的兩朵烏云”。為了去除這兩朵烏云，物理學(xué)家們發(fā)展出了相對(duì)論和量子力學(xué)。1915年的廣義相對(duì)論，奠定了時(shí)空幾何的基礎(chǔ)；而后，人類利用量子力學(xué)，不但大大推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微觀世界和對(duì)宇宙，都有了革命性的新認(rèn)識(shí)。

回顧一下1915年的物理學(xué)。那個(gè)時(shí)候，我們不但不理解化學(xué)反應(yīng)和放射現(xiàn)象背后的原子物理和核物理，也不知道恒星的發(fā)光機(jī)制和演化過程，不知道銀河系外還有其他的星系，更不知道宇宙其實(shí)是在膨脹。1915年，再聰明的物理學(xué)家也不會(huì)想到，100年后的今天，我們不但會(huì)定量的研究各種元素的起源，也在探索宇宙本身的起源問題。這也許可以讓我們相信，人類對(duì)科學(xué)的探索，是沒有止境的。

陳雁北，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授，美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士。2003年在Kip Thorne指導(dǎo)下從加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。2004年赴德國，獲得洪堡基金會(huì)SofjaKovalevskaya獎(jiǎng)的資助，在馬普引力物理研究所組建青年科研團(tuán)隊(duì)。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。

范錫龍，湖北第二師范學(xué)院物理學(xué)副教授，中國引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)會(huì)員。2006年-2007年訪問德國馬普所引力物理研究所1年，跟隨陳雁北、溫琳清等人學(xué)習(xí)。2008年在朱宗宏教授指導(dǎo)下獲得北京師范大學(xué)碩士學(xué)位。2012年獲得的里雅思特大學(xué)（意大利）博士。曾獲得英國皇家學(xué)會(huì)“ Newton International Fellowships ”和中國國家自然科學(xué)基金資助。