人类首次观测到“双中子星并合”引力波！南京紫金山天文台联携手全球

人类首次观测到“双中子星并合”引力波！南京紫金山天文台联携手全球70家机构联合发布

原创 2017-10-17 DeepTech深科技

北京时间 10 月 16 日 22 点，诺奖之后，LIGO 领域再次迎来了一枚重磅新闻！LIGO/Virgo 引力波天文台和位于中国的南京紫金山天文台、位于德国的欧洲南方天文台以及美国的 NASA 等 70 多个合作天文机构同时召开新闻发布会，宣布了人类历史上第一次观测到了“双中子星并合”所引发的引力波。

不同于此前 LIGO 装置观测到的 4 次由双黑洞融合所引发的引力波事件，此次的全新观测结合了费米望远镜（伽马射线）、钱德拉太空望远镜（X 射线）、甚大望远镜（光学和红外）、哈勃望远镜（光学和红外）和阿塔卡玛望远镜（毫米/亚毫米波阵列）等多种全球知名望远镜的观测结果，囊括了从可见光、射电波段到伽玛射线等不同的电磁波段。

在美国东部时间 8 月 17 日 8 时 41 分（北京时间 20 时 41 分），LIGO 捕捉到这个引力波信号后仅仅 2 秒，美国费米伽马射线望远镜就观测到了同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上首次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以引力波天文学和传统天文学紧密合作为代表的多信使天文学（Multi-messenger astronomy）时代已经到来。

图丨双中子星并合

美国加州理工学院 LIGO 数据分析小组负责人艾伦·温斯坦教授说，“几十年来我们一直努力搜寻双中子星并合所引发的引力波，那天我们终于梦想成真。”美国田纳西大学天体物理学教授迈克尔·吉德里说，“多信使天文学结合使用多种探测手段，将开启天文学和天体物理许多领域的探索新途径。”

值得一提的是，我国的首颗空间 X 射线天文卫星——慧眼 HXMT 望远镜和中国南极昆仑站南极巡天望远镜 AST3 合作团队运行的第 2 台望远镜 AST3-2 也检测到了此次引力波。

图丨慧眼 HXMT 望远镜

其实，早在今年的 8 月 23 日，《Nature》杂志就提前透露了此次发布会的重要内容。文章中写道，虽然双中子星并合与此前的双黑洞融合都属于致密天体的旋进并合，但二者之间有着显著的区别：那就是黑洞是能量结构，融合时并没有电磁波释放出来，且持续时间不超过 1 秒钟，这也就造成了观测非常困难，只能利用 LIGO/Virgo 这样的高精度的装置才能探测到；而中子星是物质结构，并合时会释放出十分巨大的电磁波能量，持续时间可以达到 1 分钟，诸多传统的观测手段都可以“一览奇景”。

图丨伊利诺伊大学圣芭芭拉分校所做的两颗中子星合并事件的仿真（白色的是磁力线）

而也正是在《Nature》的这篇文章发布前的不长的一段时间之内，全球范围内的明星望远镜都对一个名为 NGC 4993、距离地球 1.3 亿光年的星系进行了密集的观测，从而证实了此次“双中子星并合”现象的存在。

8 月 17 日，美国费米伽马射线望远镜的伽玛射线暴监测器触发了 GRB 170817A 伽玛射线暴事件。而双中子星并合恰巧就是会引起伽玛射线暴正的原因之一；

8 月 18-19 日，欧洲南方天文台甚大望远镜、阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列望远镜也对 NGC 4993 进行了观测；

8 月 19 日，钱德拉 X 射线太空望远镜也有观测活动，并标记为“SGRB170817A”（SGRB 即为短伽玛射线暴）；

8 月 22 日、29 日，哈勃望远镜也对 NGC 4993 总共进行了四次观测。

甚至华盛顿大学的 Peter Yoachim 和德克萨斯大学奥斯汀分校的 J. Craig Wheeler 还在 Twitter 上提前“泄露”出了此次重大发现。

而此次“双中子星并合”事件之后，人类不仅可以据此更好地验证爱因斯坦的广义相对论，也可以为中子星的起源提供更多线索。引力波的细节还可以解开中子星内部结构的奥秘，以及搞清两颗中子星合并之后到底是形成了一颗新的中子星，还是一个新的黑洞。甚至还可以解开地球上黄金的由来。

此外，伽马射线暴自身也是一个重要发现。大多数伽马射线暴都发生在距离以 10 亿秒差距计（≈3.261 光年）的遥远太空，而 NGC 4993 星系距离地球仅仅 1.3 亿光年。根据宾夕法尼亚州立大学天体物理学家德雷克·福克斯（Derek Fox）的说法，这可能是人类迄今为止观测到的距离最近的伽马射线爆发。而此次事件中的伽马射线暴的强度较高，它也验证天文学家几十年前提出的猜想，即伽马射线暴跟中子星碰撞有关。

图丨NGC 4993 星系

众所周知，引力波是爱因斯坦广义相对论最后一块“拼图”。100 多年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在，时空的概念也颠覆了大多数人的物理常识。

广义相对论认为，大到天体，小到人类本身，在它们运动时，都会使周围的时空产生涟漪。这是很容易理解的一个概念，就像船在水中移动时会产生水波。只是在发现引力波之前，这一理论还从未被验证过。

LIGO 装置在 2015 年 9 月、12 月和今年 1 月先后 3 次探测到引力波；今年 8 月，LIGO 和 Virgo 装置又共同探测到了引力波。在这四起引力波事件中，科学家们发现，恒星质量级双黑洞系统一旦融合，其质量将至少会是太阳的 20 倍。这比以前通过传统的 X 射线所探测到的黑洞质量要大得多。观测结果也确实验证了科学家们的预测：四次黑洞融合后形成的新黑洞质量分别为太阳的 62 倍、21 倍、49 倍、53 倍。

图丨LIGO 所发现的黑洞质量（蓝色）远远比以前仅凭X射线（紫色）所探测到的黑洞质量大得多

不过，由于引力波是由黑洞融合所产生的宇宙涟漪，并不会产生任何形态的光，所以对于引力波观测来说，传统天文望远镜可能并没有太大作用。但这一次，多地、各类型望远镜观测到了“双中子星并合”现象，也揭示着借助多种观测手段的“多信使天文学”（multi-messenger astronomy）时代的到来。

图丨结合多种观测手段的“多信使天文学”

值得一提的是，作为物理学界里程碑式的重大成果，引力波的发现还赢得了今年的诺贝尔物理学奖，3 位美国科学家雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C. Barish）和基普·S·索恩（Kip S. Thorne）获此殊荣，以表彰他们发起和领导了“激光干涉引力波天文台”（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）项目，并在将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域做出了重大贡献。