新引力波发现 天文台将联合预警 新引力波发现金银等元素诞生地

　　北京时间10月16日22时，激光干涉引力波天文台(LIGO)和处女座(Virgo)引力波探测器合作组织联合召开发布会，宣布再次探测到时空的涟漪。

　　这是人类第5次探测到引力波。然而，科学界的兴奋之情甚至不亚于第一次探测到引力波的时候。因为与之前4个信号不同，这次探测到的引力波信号GW170817来自1.3亿光年外两颗并合的中子星，而且是全球多地科学家第一次同时观测到引力波与其电磁对应体。

　　天文台将联合预警

　　迄今最强的引力波信号

　　“这是我们迄今观测到强度最强的引力波信号，比第一次观测到的双黑洞引力波信号要强得多。”LIGO科学合作组织爆发源分析组联席主席、英国格拉斯哥大学教授、北京师范大学特聘外国专家Ik Siong Heng表示，它与之前的双黑洞绕转产生的引力波信号非常类似，但持续时间更长。“探测器中GW170817信号持续时间超过1分钟，之前的双黑洞并合引力波信号只有1秒左右。”

　　8月17日，LIGO与Virgo的三台探测器先后接收到引力波信号GW170817。在探测到引力波信号GW170817后的1.7秒，美国国家航空航天局(NASA)的费米卫星探测到了一个伽马射线暴GRB170817A。在之后不到11个小时内，位于智利的Swope望远镜报告在长蛇座星系NGC4993中观测到明亮的光学源。在接下来的几周里，无数望远镜将目光对准这片天区，记录下这一事件发生之前100秒至之后几周的信号。

　　根据这些记录，科学家复原出故事发生的过程：在距离地球1.3亿光年的长蛇座星系NGC4993中，两颗中子星互相绕转。在并合前约100秒时，它们相距400公里，每秒钟互相绕转12圈，并向外辐射引力波。它们越转越近，直至最终碰撞在一起，形成新的天体，并发出电磁辐射。

　　中子星是恒星演化末期形成的一类致密天体。虽然它的半径只有十几公里，质量却与太阳相当。中子星到底有多硬?其内部物质以何种状态存在?这些一直是科学家感兴趣的问题。

　　根据观测到的引力波信号，科学家估算出两颗中子星的质量、半径，并对其密度给出了保守的估计，帮助排除了那些对于中子星密度估计过低的理论模型。“引力波信号GW170817的演变，尤其是接近并合阶段的信号演变，受到中子星自身性质的影响。如果中子星更致密一点，或者更稀松一点，引力波的信号都会不同。”Ik Siong Heng说。

　　何以震惊天文学界

　　为什么中子星引力波引起天文界震动?专家们说，主要原因有三个。

　　首先，这是人类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·哈里告诉记者，此前观测到的引力波均来自黑洞。黑洞完全由扭曲时空构成，本质上没有物质，而中子星却是一个切实星体，因此能深入了解核物质的行为。

　　10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

　　哈里说，中子星引力波可以用来直接测量到源的距离，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，即所谓哈勃常数，从而进一步回答宇宙从哪里来、又往哪里去等重大问题。

　　其次，这是人类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，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。

　　“我想说的是，这是第一次我们既能‘看到’也能‘听到’一个天文事件，这些不同的‘感官’体验将能给我们很多信息。”哈里说，“引力波天文学才刚刚开始，随着21世纪向前发展，我们可以期待引力波观测将为宇宙学、天文学、天体物理学、核物理学和引力学以及其他领域带来更多见解。”

　　第三，地面红外望远镜探测到了中子俘获过程，从而第一次提供确凿证据证实了中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源地。

　　南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲在发给记者的一份电子邮件中开玩笑说：“如果有人问带着金戒指的女性朋友，她的金戒指从哪儿来?她应该说，这是从银河系中的合并中子星那里产生的。”

　　发现金银等元素诞生地

　　科学家对这次观测兴奋不已，还因为观测将双中子星并合与短伽马射线暴直接联系在一起，并首次观测到巨新星现象，让科学家能够深入了解双中子星并合的物理过程。

　　所谓伽马射线暴，是天空中某一个方向伽马射线辐射突然增亮的现象。根据伽马射线暴时间长于或短于2秒，可分为长暴与短暴。科学家认为，短伽马射线暴源自双中子星并合或中子星与黑洞并合，但一直没有找到直接观测证据。

　　巨新星则是1998年北京大学教授李立新(当时为普林斯顿大学博士生)与普林斯顿大学已故教授Bodhan Paczynski合作提出的构想。“双中子星并合时向外抛射的物质会通过快中子过程形成金、银等重元素，并形成光学和近红外辐射。”李立新说，这些辐射现象比超新星的亮度暗100倍，被称为巨新星或千新星。

　　在此次观测中，科学家捕获了引力波信号、短伽马射线暴信号以及光学信号。后续分析证明这些信号互相关联，均来自双中子星并合。我国在南极大陆安装的南极巡天望远镜AST3也捕获了并合的光学信号。

　　“有多名学者对巨新星理论进行过完善，这次的观测结果非常吻合完善后的理论构想。”李立新说。

　　“8月份，南极的冬天刚刚过去，目标天体的地平高度较低，每天有2个小时左右的观测时间。8月18日起，我们进行了10天的观测，获得了目标天体的91幅图像，并最终得到目标天体的光变曲线，与巨新星理论预测高度吻合。”吴雪峰表示。2013年以来，科学家已经发现多个巨新星候选体，此次是首次直接观测到巨新星。

　　“理论上所有双中子星并合都会形成巨新星。但通常它们比较暗弱，因此能不能看到取决于它们与我们的距离。”李立新说，幸运的是，这两颗中子星离我们并不遥远。

　　还有哪些未解之谜

　　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。

　　10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

　　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。