如何理解 LIGO 探测到的来自双中子星合并的引力波事件 GW170817?

更新:官方公布,这次的引力波信号来自 1.3 亿光年外的双中子星合并事件 GW170817,并产生电磁对应体。这两颗中子星分别具有 1.6 倍和 1.1 倍太阳质量。发现引力波信号后,全球 70 多台地面和空间望远镜跟踪了这一双中子星合并事件。背景知识:中子星合并会有多大的威力?
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如何在一分钟内了解这则新闻的核心意思:

(视频中第二段表现了全球光学天文台如何对引力波事件进行后续观测的,这个可视化是我自己写代码做的,全球独家)

https://www.zhihu.com/video/903751158315769856

接下来是文字版。前面是10月16日新闻发布会时的更新,后面是关于Nature剧透的原始答案。

第一部分 大新闻懒人包

1、到底发现了啥?

简单说,一次引力波事件。

而且是跟以前所有几次引力波事件都不同的一次。

以前几次,都是双黑洞并合。并合完,还是黑的,啥也看不着。

这次是双中子星并合,并合完,火光冲天,宇宙里的文明都看到了。

https://www.zhihu.com/video/903378134022369280

2、为啥天文学家这么兴奋?

同上,因为俩中子星并合完不是黑的,能看到。

所以所有听说了这事儿的人,只要有自己的望远镜,都拼了老命想要去看一下。

而且,基本上大家都看到了

据不完全统计,全球一共有70架以上的各种天文望远镜参加了观测,这些观测覆盖了整个电磁波段:光学、红外、紫外、高能、射电。

以下动画展示是引力波事件发生后第一天之内,全球各地光学望远镜跟进观测的情况。

南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有顶级天文台都像疯了一样。

(制图:我。气泡最终大小跟望远镜口径正相关,颜色与所使用的滤光片波段相关。)

从东向西,随着黑夜降临在一个个大陆,各个天文台一波波的开工,接力完成了对这个事件的跟进观测。

注意南极也有一个小光点!是什么看下文 5。

3、这事对天文学有啥意义?

最大的意义是:引力波和传统天文学终于成功的并肩作战。

从今以后,“引力波”领域,终于毫无疑问的成为天文科学的一员。

在此之前,射电天文学的加入,让光学和射电成为天文学的两架马车;空间望远镜的加入,让电磁波的全波段天文时代降临;宇宙线和中微子的加入,又让我们看到了“多信使天文学”时代的曙光。

然后,我们看到了引力波。

如今,我们用引力波和电磁波一起看到了一场宏大宇宙烟火的前后全貌。

一个新的时代——多信使天文学全面开张的时代——来了!

4、这事对普通人有啥意义?

愚蠢的人类终于知道了黄金怎么来的。

(如果你还不知道,往下看)

5、中国这回掺和没?

掺和了。掺和了不少。

中国南极天文中心的南极巡天望远镜,参与了光学波段的后续观测。

(摄影:李正阳)

中科院高能物理研究所的“慧眼”X射线望远镜(HXMT),参与了伽马射线波段的后续观测。

清华大学等单位的研究人员,通过和LIGO组织合作,参与了引力波信号分析。

但对这次来说,主要是前两条。

第二部分 稍微细一点

1、这次的引力波长啥样?

引力波长啥样,听听就知道了。以下是在双中子星即将发生并合前,由于相互绕转频率不断提高而发出的所谓“鸟鸣”(Chirp)。请准备好你的重低音耳机!

https://www.zhihu.com/video/903392431083520000

这鸟鸣听的好刺激!简直可以听一天。

如果你还记得去年刚发现引力波时候的那个chirp,你会发现体验完全不一样——那次的只有不到1秒(下面的视频),而这次在音频中出现的就有将近1分钟——实际上,这次LIGO一共探测到了大约100秒!

https://www.zhihu.com/video/903393778319114240

2、为啥这次探测到这么长的“鸟鸣”?

一方面因为中子星并合本来就需要比较久的旋进阶段,另一方面就是,因为近啊!

人们很早就怀疑短伽马暴起源于双中子星并合,此前的短伽马暴通过查找宿主星系的办法,也有一些能得到距离的,但通常都极远,往往在几十亿光年开外,而这次,只有1.3亿光年!是最近的一次短伽马暴!

因为特别近,信号就比较强,前面比较弱的部分就能看到比较多,也就探测到了超长的旋进阶段。

3、这次怎么找到引力波源位置的?

去年只有LIGO两个站的时候,我们只能大体把引力波源定位在天空中一个大圈上,而今年随着欧洲Virgo引力波探测器的加入,引力波源定位的精确度大大提高!

如下图所示,本次引力波事件,GW170817,被定位在了大约31平方度的非常小的天区内!(下图黄色线条)

在LIGO&Virgo探测到引力波之后的短短不到两秒,费米卫星也独立探测到了双中子星并合产生的伽马暴。

引力波探测器给出的定位结果(绿色),和费米卫星给出的定位(蓝色),非常吻合:

但是其实,31个平方度说小也不小

下图是后来发现了引力波源的星系 NGC 4993 周围 3 平方度的天区,蓝色椭圆标记出了这里面所有已知的星系。可以发现 NGC 4993 刚好位于一个星系团旁边,里面星系多得很。而 31 个平方度里,星系自然就更多。

一个一个看过去,什么时候才能找到呢?

虽然有好几十台望远镜参加观测,能在一天之内就找到,也太快了吧!

——实际上,事情没有那么复杂

LIGO & Virgo 在收到引力波信号后,会根据信号强度估计一个距离。这一次他们给出的是40±0.8 Mpc(Mpc=百万秒差距=326万光年)。我用这个距离范围在 NGC 4993 周围 ~300 个平方度里搜,记录在册的星系一共也就21个。考虑到事情发生的时候出于慎重可能会把距离范围放宽点,但在31度天区中真正需要查证的,也还是只有几十个星系而已。

下面的视频完整的展示了这一“大海捞针”的过程。比找MH370容易多了。

https://www.zhihu.com/video/903399324682170368

4、所以挺好找的嘛?

这得看运气。

这次实际上有一些好的巧合,也有一些不好的巧合。

不好的巧合是,这次雨燕(Swift)卫星在引力波事件发生时,因为观测角度的问题,受到太阳的影响,没有能探测到这起事件。本来雨燕卫星可以根据伽马暴很精确的给定事件位置的,可以精确到4个角分——这星系直径都1个角分了,如果能精确到4角分的精度,基本上画面中就只剩这一个星系了。

好的巧合是——Virgo探测器——也没看到这起事件

Virgo你摸着自己良心说,你把钱花哪去了?

这算啥好的巧合呢?不是说好了因为Virgo的加入,可以改善LIGO的定位精度吗?看不着改善个毛线啊!

还真是因为看不着所以能改善的。

Virgo在全天的灵敏度是有一个四极分布的:

红的部分灵敏度高,蓝的部分灵敏度低。全天大部分地方灵敏度还可以,但有几个小区域不太好,是Virgo的“盲区”。

这次很凑巧的是,事件刚好发生在Virgo盲区附近,所以Virgo本来应该能看到,但却啥也没看到,刚好说明事件应该发生在盲区里面。

所以Virgo反而因为没看到而立了功。

也不能说傻人有傻福吧反正这运气也是没谁了。

再多说一句:2015年9月第一次发现引力波的时候,LIGO刚刚调试完,还没有正式开机;而这第一次发现双中子星并合的8月17日,LIGO/Virgo还有一个星期就要结束这个观测季的观测。

擦肩而过一次是运气,擦肩而过两次——可能是超好的运气吧。

5、这次看到的引力波源“光学对应体”,长啥样?

下图是欧洲南方天文台几架不同的望远镜捕捉到的画面。虽然画质高下有别,在星系中心左上边一点,都看到了同一个小亮点——也就是双中子星并合之后持续发光的,被称作“千新星”的现象。(左上角是2014年拍的对比图,这张上没有这次的小亮点。)

特别有意思的是,在持续十几天的不间断跟踪观测中,我们发现这个千新星的颜色会变!

变的越来越红!

https://www.zhihu.com/video/903405682097782784

这主要是因为爆炸之后,抛射物的温度无法维持,在刚爆发的短期内尚且有一些重元素衰变发光发热,但很快颜色就被降温导致的黑体辐射峰值向红端移动而主导了。

6、双中子星并合具体什么样?

前面已经放过并合的一个艺术家想象动画,下面再放俩科学一点的模拟。

它们展示了双中子星并合最后几十毫秒发生了什么。

https://www.zhihu.com/video/903411917467570176

(左边是物质密度的变化,右边是示意引力波的变化)

两颗中子星在互相绕转的最后阶段,都在对方引力作用下发生了明显的变形。相接触的瞬间,整颗星体瓦解,大部分物质融合在一起成为了新的中心天体,要么是大质量中子星,要么是黑洞。还有不少物质在解体中抛向空间。这些富中子物质会形成大量富中子的不稳定同位素,并通过衰变释放出大量辐射,这一过程的光度可达一般新星事件的千倍,所以这个现象被命名为“千新星”

千新星事件虽然不是第一次被看到,但结合了引力波和电磁波全波段观测数据的这次事件,让我们可以更透彻的研究“千新星”事件到底是怎么回事。

7、所以黄金到底怎么来的?

上一段说了,中子洒出来之后,会产生很多所谓富中子的不稳定同位素,也就是说很多原子核中包含大量中子的元素,这些中子会迅速衰变成质子,产生大量原子序数(即原子核中的质子数)较高的重元素,其中就包括金。

先前人们曾经认为重元素主要由超新星爆发产生,但后来发现超新星爆发不是一个足够有效的机制,于是双中子星并合被寄予厚望

8、中子星?夸克星?

我们一直说“双中子星并合”,但实际上对于中子星是不是“中子”星,在天文学界是有争议的——一部分理论学家认为,这些致密天体可能是由更基本的粒子夸克组成的,应该被叫做“夸克星”。

检验这种致密星到底是由“中子”还是“夸克”构成,最直接的办法应该是去测量星体的质量和半径。因为夸克星原则上会更致密。但是这些致密星太小,用我们现有的观测手段很难给出精确的测定。

另一种思路,就是利用双星并合时的现象——前面说了,“千新星”这种现象只有在富中子的环境才能发生。而大量的中子来自于中子星,所以如果我们在双致密星并合后能看到“千新星”现象,说明这些致密星的本质应该是中子星,而如果看不到,则更有理由倾向于夸克星的假说。

就这次的观测证据来说,“中子”星一派占据了上风。

9、这次事件还告诉我们什么

还告诉宇宙膨胀有多快。也就是测定了哈勃常数。

一方面,引力波观测可以通过接收到引力波的强度,算出源天体的光度距离;另外通过源天体所在的星系红移的测量,我们知道它的退行速度。结合起来,就算出了宇宙膨胀有多快。

当然这一次事件给出的测量精度还没有比我们此前已经获得的结果更好,不过随着未来类似观测的积累,引力波与电磁波的联合观测还是可以给出越来越精确的,对宇宙膨胀速度的独立估计。

10、仍然未解的迷

我们不知道并合后形成的是中子星还是黑洞。

我们认为中子星的质量有个上限,叫做奥本海默极限。超过了这个极限,中子星就会坍缩成黑洞——但在理论上,这个极限究竟是多少,还有争议。争议的原因就是上面7中所说的,理论学家对中子星的具体构成有不同的见解。而我们通过引力波的观测知道了系统总质量为2.74个太阳质量,刚好在“争议区”,于是无法判断这是不是足以形成黑洞。

11、小望远镜的威力

在这次全球观测天文学家的大联欢中,小望远镜发挥了功不可没的重要作用。

率先在星系 NGC 4993 中找到引力波光学对应体的,是欧南台的 Swope 望远镜,口径1.02米。

要知道在专业天文学界,1米口径是相当小的光学望远镜了。

而更让人惊讶的是,这次还有很多台40~60厘米的超轻量级望远镜加入战斗——这对天文爱好者来说可能还算是镇宅之宝,对专业天文学来说,有点玩具的意思了。

甚至,盛会中还有一个口径25厘米的 TAROT 望远镜。(下图右下)

不过这些“玩具”其实近年来越来越多出现在专业天文学的一个领域:时域天文学。小望远镜有很多优势:成本低,方便大规模采购投放;通常视场范围比较大,结合数量优势,可以快速的开展大面积巡天——这正是搜寻引力波光学对应体所必备的能力。

系外行星搜寻、超新星搜寻、微引力透镜搜寻……还有很多有趣的科学领域,是小望远镜能够一展身手的地方。

12、欧南台的“舰队”

在看本文图一那个动画的时候,有没有被智利北部密集的光点吓到?

(图为欧南台所属智利 La Silla 天文台)

欧南台在新闻中用“舰队”来形容自己的望远镜们——这支舰队,不只有8米、10米级的“航空母舰”,更有一大堆4-6米级的“巡洋舰”、2-3米级的“护卫舰”、1米级以下的“保障船只”,乃至其他波段的“协同军种”,共同构成了令人望而生畏的欧南台舰队。

下图展示了欧南台参与本次联合观测的部分“大船”。紫外、可见光、红外、射电,都有。

说实话,看欧南台在智利下饺子,再看看国内这几台望远镜,还真有点20年前看中国军队的那种望穿秋水的感觉。尤其是看到欧南台里还放着很多日本、韩国等国家的望远镜,真希望中国也能在这样世界上观测条件最好的地方有自己的望远镜。

幸好这次还有南极巡天望远镜和慧眼卫星给中国撑场子,不然真的是毫无脸面了。(中国本土的望远镜都因为目标源太靠南,而且太阳离得比较近,所以在天黑同时天体就落了,所以不可能进行光学的观测。FAST能覆盖的天区范围也不包括这个源。)

希望中国天文的盛世,早点来吧!


@周恩平 @王善钦 等同学的指教对此文有很大贡献。


(以下为第一稿回答)

圈里已经炸了。疯传。所有人都在议论这件事。

目测周一大新闻出炉后,会掀起不亚于第一次引力波事件时候的舆论巨浪。

瑟瑟发抖。

有Nature新闻官方传谣打底,这次大概是个什么事圈里都已经能猜到了。不过基于自媒体的职业操守,我现在并不能利用我手头已经掌握的保密资料对外发言,我先罗列一些网上大家能看到的东西。

我知道肯定有些坐享其成的同学懒得去看那篇Nature新闻,我先大概编译一下这篇官方谣言的主要内容(包含一些我随手附加的解说)。

这篇谣言发表于今年8月23日——当时我还沉浸在8月21日美国日全食的亢奋与车马劳顿中,所以当时完全没注意到这则消息。

文章说,此前美国的LIGO(以及后来加入的欧洲的Virgo)一共看到三次引力波事件,都是双黑洞并合,不过我们还期待看到另一种类似但不同的现象:双中子星并合。看起来它们都是致密天体的旋进并合,从引力波的角度来说(至少对外行人)看起来是很像的——频率不断提高的一声“鸟鸣”。不过它们之间有一个最大的差别,就是黑洞并合时,真的是黑的,没有电磁波会发射出来;而两个中子星并合时,会在电磁波段释放出巨大的能量,从而可以在传统的电磁波望远镜中探测到这起事件及之后的余辉——意思就是说,会发光

引力波固然很火、固然能拿诺奖,但当下能找到引力波的也就LIGO和Virgo;其他人要想一起玩耍,只能用原来手头有的,主要是电磁波望远镜来进行跟进观测。

所以自从第一次发现引力波事件以来,在可见光、射电、高能等电磁波段跟进LIGO/Virgo引力波事件,看看预测的方向上有没有电磁波段的新的小亮点,成了天文学界竞相争夺的一个圣杯。

今年8月18日,德克萨斯大学奥斯丁分校的J. Craig Wheeler开了造谣传谣的第一枪,他在国外某个不存在的微博类网站说:

“LIGO新发现:引力波源,带光学对应体。吓尿!”

一小时后,华盛顿大学西雅图分校的Peter Yoachim在同一个网站上说,这个引力波源的光学对应体位于 NGC 4993 星系中,这是一个位于水蛇座的星系,距离1.3亿光年。他还说“初步判断是双中子星并合”。

NGC 4993,来自斯隆巡天的档案数据(所以其中不包含这次事件的光学对应体)

LIGO是一个有着严明纪律的国际合作组织,这样私自发布消息、不顾组织纪律的行为很快就被请喝茶了。之后这两位仁兄要么删除了推文,要么言辞含糊的道了歉。

但谣言既然已经传开,就挡不住好事者的刨根问底。

通过查询公开资料,人们很快发现,在他们发表推文的那几天,世界上很多重要的望远镜都指向了同一个天区——正是Yoachim所说的 NGC 4993 所在的天区。

例如,8月17日,美国的天文卫星费米望远镜(Fermi)的伽马暴监测器触发了一个伽马暴事件:GRB 170817A(监测报文)。

伽马暴是宇宙中极端高能的剧烈事件产生的天文现象。双中子星并合是可以触发这种事件的现象之一。

再如,哈勃空间望远镜公开可查的观测申请显示,有人申请了8月22日和29日的4段观测时间,用来观测由“双中子星并合”带来的“红外辐射”。申请中还顺便解释了这辐射的来源:双中子星并合时会通过 r 过程产生大量重元素,这些元素的放射性衰变可以通过红外辐射来检验。

而该观测申请的目标,正是 NGC 4993。(哈勃望远镜观测申请

天文博客“黑暗之中”8月23日的一篇博文 LIGO, Leaks and NGC 4993 中,提到钱德拉X射线天文台也在8月19日对这次事件进行了观测,这次事件在钱德拉的网站上被记做“SGRB170817A”——SGRB是短伽马暴的意思。

Nature 新闻说,欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)、阿塔卡马大型毫米亚毫米波阵列(ALMA)这两台世界顶尖的光学及射电望远镜,也在8月18-19日对 NGC 4993 进行了观测。

8月25日,是LIGO/Virgo这个“并网发电”的观测季的最后一天。当天,Nature 新闻在它“传谣”的页面上追加了更新:LIGO/Virgo 合作组织发布了一则看起来像是对这些“谣言”的回应,全文翻译如下:

我们在LIGO和Virgo数据中初步指认出一些非常有希望的引力波事件候选体,并且和天文观测合作伙伴们共享了已知信息。我们在奋力工作,来确保这些候选体是确凿的引力波事件,但我们需要时间来评估置信度,在那之后我们才能把结果向科学界及社会大众公布。我们会在有消息后尽快让各位知晓。

截至目前,引力波圈子的同仁们还是很有职业操守,没有随意向外散播这个大家早已心知肚明的消息。

奈何 Nature 这么爱八卦啊。(没错我的意思是这锅我可不背……)

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编者按:

10月16日晚,全球天文学界联合发布一项重大发现:人类首次直接探测到了由双中子星并合产生的引力波及其伴随的电磁信号。用天体物理学家张双南的话来说,“人类不但听到了天体结合发出的美妙歌声,而且也看到了它们相爱迸发的烟花!”

从此,在浩淼的宇宙面前,“人类终于耳聪目明了”。

从爱因斯坦预言引力波到一百年后科学家接力发展高精度探测技术,在最近的两年间连续数次、不仅“听到”、而且“看到”引力波的存在,一切皆如预言般精准和完美,这是人类智力运行的巅峰之作,一首科学的赞歌。

在这项创造天文学历史、具有人类学意义的重大发现中,我们也看到中国科学家跻身在列,做出了重要工作。其中不仅有一直没有缺席引力波探测国际合作的清华大学LIGO工作组,而且,刚刚发射运行的中科院“慧眼”天文卫星在同一时间观测到了此次引力波事件,并迅速发布了观测结果,110位慧眼团队科学家由此加入全球将近一千个单位的三千多位作者联合“写作”的历史性论文中。中国南极巡天望远镜也在同时捕获此次引力波事件的光学信号,相关分析结果发表在中国期刊《科学通报》英文版Science Bulletin上(详见文末报道)。

撰文 | 吕浩然


北京时间2017年10月16日晚10时,LIGO-Virgo科学合作组及全球各主要天文台同步发布重大天文学发现:首次直接探测到了由双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号——GW170817。

此次发现也标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其它望远镜同时观测到了同一个天体物理事件,开启了期待已久的多信使天文学的新窗口,引力波天文学也为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。

据悉,此次发现是由位于美国激光干涉引力波天文台(LIGO)分别位于华盛顿州的汉福德及路易斯安那州的利文斯顿的两台探测器和位于欧洲的室女座干涉仪(Virgo)引力波探测器,以及来自全球各地的70个地面及空间望远镜共同完成的。其中,南京紫金山天文台、清华大学LIGO工作组、中国科学院高能物理研究所等国内多个研究机构组成的科研合作团队也参与了此次探测。

时间倒流:2017年8月17日,一段“特别长”的信号

相较于之前LIGO及Virgo已经探测到的四次来自双黑洞的引力波信号,此次发布的探测结果在很多方面都有所不同。

时间回到2017年8月17日。

就在三天之前,LIGO-Virgo首次联合探测到了双黑洞并合所产生的引力波(GW170814),这是继Virgo在8月1日加入到合作探测之后的首次捕获。

北京时间8月17日晚8点41分零4秒,一段很强的引力波信号被定位于约2度宽15度长覆盖28平方度的一个椭圆的区域(被称为“误差椭圆”,看上去大约是一臂距离外一个香蕉的形状和大小)的一台LIGO探测器捕获,从而实时反馈到了LIGO的实时数据软件中。

不到2秒之后,美国宇航局费米空间望远镜(Fermi)的观测到了一个伽玛暴信号(GRB170817A)。

LIGO-Virgo的分析软件通过比较两信号得出结论:这不太可能只是一个巧合!另一个自动分析结果表明:另一个LIGO探测器也探测到了一致的引力波信号(GW170817A)。值得一提的是,此次的引力波信号在两个LIGO探测器的频谱中都清晰可见,但在Virgo中却不然。这恰恰是空中定位的很重要的一点。

对每个探测器而言,总有某个天空区域,来自那里的信号不容易被探测到。两个LIGO探测器中轻易可见而Virgo却观测不到的现象也意味着,此次信号来自天空中的某个位置,Virgo在那一刻刚好很难探测到那片区域。这一事实也对后续定位起到了至关重要的作用。

图1:这些图显示了GW170817信号在每个LIGO和Virgo探测器中的频谱。水平轴是时间,竖直轴是频率。双星的“啁啾”信号从左侧靠低处开始,提升至右侧的陡峭曲线。“短时噪声干扰”已经从LIGO利文斯顿探测器频谱中消减,因而并不在图中显示。

与之前已经捕获的4次引力波信号不同,此次探测到的引力波信号持续时间非常长,达100秒之久(之前的信号在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间),并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同。

以LIGO-Virgo合作组的快速引力波探测分析以及费米望远镜的伽马暴探测为起点,世界范围内的各望远镜相继启动观测。

在GW 170817发布警报的时候,其空间位置正对着澳大利亚的上方,但是南非和智利的望远镜也同时在观测。在智利黑夜的最初几个小时里,Swope望远镜在星系NGC 4993里认证出了一个光学瞬变源(SSS17a);在接下来的两个星期里,地面望远镜和太空望远镜组成的阵列从紫外、光学、近红外等波段追踪着最初的探测。

而来自中国的“慧眼”卫星也第一时间对这一起引力波事件进行了观测,守夜的科学家团队立刻进行了几乎实时的数据分析。

最终,来自全球各地的70架地面及空间望远镜探测到了许多来自这一事件的邻近NGC4993星系的衰退的光信号。一场关于这场结合使用电磁波(光学)和引力波的“多信使”观测运动徐徐展开。

时间再倒流:1974年“四选一”,为什么选双中子星系统?

1974年,马萨诸塞大学的罗素·胡尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)使用波多黎各的阿雷西博射电望远镜发现了著名的赫尔斯-泰勒(Hulse-Taylor)脉冲双星PSR 1913+16。到目前为止,射电天文学家们已经绘制了40年它的轨道曲线,显示着这两颗星体正慢慢互相旋近。在大约3亿年后,赫尔斯-泰勒脉冲双星将会并合,并产生一个类似于GW170817那样的信号。

那么,天文学家们是如何确定GW170817出自两颗中子星并合呢?

就目前已有的探测手段及能力来看,科学家们仅能探测到四种系统并合所产生的引力波:黑洞-黑洞并合、超新星不对称爆发、黑洞-中子星并合以及中子星-中子星并合。LIGO于2016年2月11日首次探测到的引力波即属于黑洞-黑洞并合系统产生的。

引力波的波源取决于系统的天体属性,每个源都会产生不同的引力波信号。重要的属性包括单个物体的质量、自旋的速度、被挤压形变的难易度、双星轨道的大小、轨道相对视线的倾角等等。所有这些属性结合起来将决定引力波信号的总体形状、强度和每一刻的变动。引力波天文学家们极尽所能测量信号中的变化,然后反推出天体源的各种属性。

然而,双黑洞并合所产生的光学对应体极少,科学家们只能通过LIGO/Virgo的激光干涉探测器探测到引力波,但是相应的光学信号,即光学对应体需要地面及空间望远镜来观测。这也是为什么今天之前,有人形容人类探测引力波处于“非聋即瞎”的阶段:我们能够“听到”(能探测到)引力波,但却看不到(可观测到)相应的光学信号。

而超新星不对称爆发所产生的光学对应体只有在它距离地球比较近时(银河系内)才能观测到。因此,选定范围仅剩黑洞-中子星并合与双中子星并合两个选项。

最终,科学家们首次利用多信使探测去确认引力波的波源。

图2:引力波、伽马射线和可见光的位置。左边的小格子展示了90%置信区间投影区域,分别来自LIGO(浅绿色),LIGO-Virgo(深绿色),来自费米与INTEGRAL时间延迟得到的三角定位(浅蓝色),费米GBM(深蓝色)。放大图展示了宿主星系NGC4993的位置,包括了来自并合后10.9小时的Swope光学发现图片(右上方)与在并合20.5天前的图片(右下方)。

所谓多信使观测是指通过引力波、电磁波、高能宇宙线、中微子中的两个或多个进行联合观测的方法。这次引力波事件也标志着第一次引力波的多信使探测:同时进行引力波和电磁波探测的成功。

在从引力波和伽马信号认证出来的空间区域内,世界各地的望远镜倾尽全力开展了与源相关的后续观测。在不同的电磁波波段和中微子渠道上,有许多至关重要的观测。图2展示了各类观测的时间线。多波段的观测对于这一发现的科学内涵的丰富性居功至伟。

图3:GW170817,GRB170817A,SSS17a/AT2017gfo发现的时间线,以及以信使、波长和相对于引力波信号时间排列的后续观测。对于每一个波段或信使都显示了两种信息。首先,阴影区域代表了在GCN通告里报告的时间。每行开头展示着对应的作者。其次,带圆圈的实线标志着该源在对应波段至少被探测到一次。圆圈的大小大致由星等校准。

这些观测仔细监视着信号的频谱能量分布,揭示着这一特殊的电磁对应体是一个千新星(kilonovae)。此次观测也坚定地将千新星和双中子星并合联系起来,为“千新星来源于中子星并合阶段,通过中子俘获形成的重元素的放射性衰变的这一一物理图景”提供了可靠证据。

通过对8月17日探测(观测)到的信号及光学对应体进行分析,LIGO-Virgo合作组最终得知,双中子星系统中单个星体的质量在0.86个太阳质量到2.26个太阳质量之间。这些质量值都和目前已知的所有中子星质量范围相符合,这也是科学家们认为此次引力波事件出自一个双中子星系统的原因之一。

从GW170817的信号中,科学家们也模拟了双中子星并合的场景:在两星并合前的大约100秒,它们相距400公里,却在每秒内相互环绕12圈。每转一圈,引力波的辐射就会迫使它们越发接近。随着轨道的收缩,它们相互环绕的速度越来越快,引力波的强度和频率也不断增加。轨道的逐渐收缩过程被称为“旋近(inspiral)”,而频率的提升被称作“啁啾(chirp)”信号。这一过程逐渐加快直到双星并合而形成单个遗迹。

此外,从此次引力波信号得出的光度距离是40百万秒差距(约1.3亿光年),与NGC 4993星系的距离相符合。

值此,天文界作出了又一重大发现,人类对宇宙的探索与认知向前迈进了一大步。


《知识分子》邀请到了引力波研究相关领域的专家,就此次双中子星并合引力波事件发表评论:

面对宇宙,人类不再是非聋即瞎

400多年前伽利略发明了天文望远镜,从此,远在天边的宇宙天体就变成了近在眼前。2016年2月11号美国的激光干涉引力波天文台宣布听到了两个黑洞结合在一起发出的声音,人类也能够听到宇宙的声音了!然而,这一次,人类不但听到了天体结合发出的美妙歌声,而且也看到了它们相爱迸发的烟花!耳听为虚,眼见为实!从此,人类终于耳聪目明了!

整个天文界都沸腾了,难道仅仅是因为欣赏了一场史无前例的音乐会和烟花表演饱了眼福?并不是!从此,耳聪目明的天文学家可以详细研究中子星内部的物质到底是什么,真的是一堆中子还是一团夸克物质?用引力波作为“标准烛光”替代超新星,是否会得到一幅不同的宇宙演化图像?爱因斯坦说了引力波的速度是光速,真的是这样吗?一个崭新的天文学、物理学和宇宙学的交叉前沿研究领域在一片惊呼中就这样诞生了!

我感到自豪的是,今年(2017年)6月15号发射运行的慧眼天文卫星也参加了这个创造了天文学历史的全球大联测!我和同事们那天(2017年8月17号)夜里用慧眼卫星对这个事件进行了观测和几乎实时的数据分析,迅速发布了观测结果!(我还因为在办公室打了个盹而小小地感冒了一场!)因为慧眼卫星的贡献,慧眼团队110科学家带着慧眼的结果加入了这个“天文记录”(全球将近一千个单位的三千多个作者)的历史性论文。

——张双南,中科院高能物理研究所所研究员

发现双中子星并合的历史性论文的截图:中国慧眼团队的作者名单。

发现双中子星并合的历史性论文的截图:中国慧眼团队的致谢。


最期待引力波探测为暗能量研究带来突破

双中子星并合的信号强度本应弱于双黑洞并合,这也说明此次双中子星系统距离地球比较近。根据发布的结果,此次的事件距地球1.3亿光年,又伴有电磁对应体,信号时间又较长,这对引力波的细节研究帮助会非常大。Virgo的加入也使得合作组可以利用距离效应有效扣除系统误差。

来自中国等国的望远镜的加入,也从光学探测的角度加入到了探测中,对LIGO和Virgo起到了辅助的作用。

还应看到,此次发现系技术进步带来的天文与物理观测进展,虽然不可能颠覆已有理论,也不会有新物理产生。但多信使探测手段有助于对天体物理事件做精细的研究,甚至在未来为宇宙学探究打开新的窗口。我最期待引力波探测为暗能量研究带来突破。

——李淼,中山大学天文与空间科学研究院院长


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忍不住回复一下某些评论:

当你一时看不懂某些科学发现的价值时,或许你的子孙后代会因此而获益……