宇宙大事件！首次發現雙中子星併合天文學翻開新篇章

科技 10-17

北京時間10月16日22點，全世界聚焦美國華盛頓，一場前所未有的——由全球約70家天文研究機構聯合舉辦的新聞發布會隆重舉行，共同宣布首次觀測到距離地球1.3億光年雙中子星併合事件，並捕捉到該事件產生的引力波和電磁波，從而第一次將引力波與電磁波源對應起來，人類對宇宙的探索從「全波段」邁向「多信使」。

首次發現雙中子星併合產生的引力波和電磁波（來源：LSC）

Virgo加入後，引力波源的定位範圍大大縮小（Credit: LIGO/Virgo/NASA/Leo Singe）

然而，黑洞與黑洞的合併，產生的是更大的黑洞，我們都知道黑洞會吞噬一切電磁波，因此要想觀測到雙黑洞併合所釋放的「光」非常困難。於是，只可能黑洞與中子星合併或雙中子星合併時，才有可能被其他望遠鏡「看」到。

2017年8月17日，位於義大利的Virgo（室女座引力波天文台）和美國的LIGO（激光引力波天文台）捕捉到一次特殊的引力波信號GW170817。不同於以往雙黑洞併合的引力波持續時間不超過2秒鐘，這次時間長達100秒，初步判斷極有可能來自兩個質量分別為1.1和1.6倍太陽質量的中子星併合。幾乎與此同時，NASA的「費米」伽馬射線望遠鏡（Fermi）和歐洲INTEGRAL衛星（International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory，國際伽馬射線天體物理學實驗室）都探測到了一個極弱的僅僅持續了1、2秒鐘的短時標伽瑪暴GRB 170817A。這對時刻監視天空的「費米」望遠鏡來說，原本是個相當普通的伽馬暴，然而當項目運行者得知幾乎同時引力波有了新發現後，立刻來了精神，直覺告訴他們，這裡頭有文章！於是尋找「引力波嫌疑人」的天羅地網鋪開了。

三個引力波天文台測到的GW170817信號（來源：B.?P. Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 119, 161101）

LIGO、Virgo、費米，天上地下4台設備已經鎖定了一個前所未有的小範圍，然而還不夠，需要更多天文台、更多望遠鏡提供支援。幸運的是，他們沒有等待太長時間，當晚，在捕獲引力波後僅僅11個小時，天文學家在位於智利口徑僅1米的Swope望遠鏡的一堆巡天照片中率先發現一個奇異的小亮點！那是位於長蛇座的一個橢圓星系NGC 4993，突然冒出一個亮點，疑似一顆超新星，於是天文學家給了它一個編號SSS17a。然而，這顆星亮度不如超新星，卻比普通新星亮1000倍以上，這種天體俗稱叫「千新星」（kilonova），該理論最早由李立新教授和帕欽斯基教授在1998年提出，指緻密天體在併合時，會向外拋射含大量中子的物質，這一過程會迅速合成大量重元素，而重元素衰變又會加熱拋射物，使其發出明亮的可見光與近紅外輻射。新的發現完全符合這一預言，更重要的是，NGC 4993恰巧就在引力波源的搜索範圍內。

Swope & Magellan 望遠鏡拍攝到的GW170817對應光學目標SSS17a（Credit: 1M2H/UC Santa Cruz and Carnegie Observatories/Ryan Foley）

隨後，太空中的「錢德拉」X射線望遠鏡、「哈勃」太空望遠鏡、「雨燕」伽馬射線望遠鏡也分別找到了X射線、可見光、紫外和伽馬射線的對應體；地面的VLT、「麥哲倫」望遠鏡、「雙子座」望遠鏡、中國南極巡天望遠鏡AST3-2也加入進來，並確認了光學和紅外圖像；還有一些射電望遠鏡「新賬老賬一起算」，不僅在幾天後探測到射電信號，還發現了過往雙中子星中的一個脈衝信號（另一個可能脈衝瓣沒有掃到地球）存在一定周期且間隔越來越短，間接證明了雙中子星正在旋進併合。於是，在短短几天內，全世界範圍中約70台各類望遠鏡參與了這項前所未有的「搜狐行動」，並且這項行動覆蓋了射電、紅外、可見光、紫外、X射線、伽馬射線整個電磁波段以及引力波，也就是說全世界的天文學家「窮極所有辦法」共同見證了一個前所未見的大事件！

GIF/307K