「知識分子」特別報道：引力波重磅發現第二季：「從此，人類終於耳聰目明了」

知識 10-17

編者按：

10月16日晚，全球天文學界聯合發布一項重大發現：人類首次直接探測到了由雙中子星併合產生的引力波及其伴隨的電磁信號。用天體物理學家張雙南的話來說，「人類不但聽到了天體結合發出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發的煙花！」

從此，在浩淼的宇宙面前，「人類終於耳聰目明了」。

從愛因斯坦預言引力波到一百年後科學家接力發展高精度探測技術，在最近的兩年間連續數次、不僅「聽到」、而且「看到」引力波的存在，一切皆如預言般精準和完美，這是人類智力運行的巔峰之作，一首科學的讚歌。

在這項創造天文學歷史、具有人類學意義的重大發現中，我們也看到中國科學家躋身在列，做出了重要工作。其中不僅有一直沒有缺席引力波探測國際合作的清華大學LIGO工作組，而且，剛剛發射運行的中科院「慧眼」天文衛星在同一時間觀測到了此次引力波事件，並迅速發布了觀測結果，110位慧眼團隊科學家由此加入全球將近一千個單位的三千多位作者聯合「寫作」的歷史性論文中。中國南極巡天望遠鏡也在同時捕獲此次引力波事件的光學信號，相關分析結果發表在中國期刊《科學通報》英文版Science Bulletin上（詳見文末報道）。

撰文 | 呂浩然

責編 | 李曉明

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

北京時間2017年10月16日晚10時，LIGO-Virgo科學合作組及全球各主要天文台同步發布重大天文學發現：首次直接探測到了由雙中子星併合產生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號，正式編號——GW170817。

此次發現也標誌著人類歷史上第一次使用引力波天文台和其它望遠鏡同時觀測到了同一個天體物理事件，開啟了期待已久的多信使天文學的新窗口，引力波天文學也為理解中子星的性質提供了電磁天文學單獨所不能實現的新機會。

據悉，此次發現是由位於美國激光干涉引力波天文台（LIGO）分別位於華盛頓州的漢福德及路易斯安那州的利文斯頓的兩台探測器和位於歐洲的室女座干涉儀（Virgo）引力波探測器，以及來自全球各地的70個地面及空間望遠鏡共同完成的。其中，南京紫金山天文台、清華大學LIGO工作組、中國科學院高能物理研究所等國內多個研究機構組成的科研合作團隊也參與了此次探測。

時間倒流：2017年8月17日，一段「特別長」的信號

相較於之前LIGO及Virgo已經探測到的四次來自雙黑洞的引力波信號，此次發布的探測結果在很多方面都有所不同。

時間回到2017年8月17日。

就在三天之前，LIGO-Virgo首次聯合探測到了雙黑洞併合所產生的引力波（GW170814），這是繼Virgo在8月1日加入到合作探測之後的首次捕獲。

北京時間8月17日晚8點41分零4秒，一段很強的引力波信號被定位於約2度寬15度長覆蓋28平方度的一個橢圓的區域（被稱為「誤差橢圓」，看上去大約是一臂距離外一個香蕉的形狀和大小）的一台LIGO探測器捕獲，從而實時反饋到了LIGO的實時數據軟體中。

不到2秒之後，美國宇航局費米空間望遠鏡（Fermi）的觀測到了一個伽瑪暴信號（GRB170817A）。

LIGO-Virgo的分析軟體通過比較兩信號得出結論：這不太可能只是一個巧合！另一個自動分析結果表明：另一個LIGO探測器也探測到了一致的引力波信號（GW170817A）。值得一提的是，此次的引力波信號在兩個LIGO探測器的頻譜中都清晰可見，但在Virgo中卻不然。這恰恰是空中定位的很重要的一點。

對每個探測器而言，總有某個天空區域，來自那裡的信號不容易被探測到。兩個LIGO探測器中輕易可見而Virgo卻觀測不到的現象也意味著，此次信號來自天空中的某個位置，Virgo在那一刻剛好很難探測到那片區域。這一事實也對後續定位起到了至關重要的作用。

圖1：這些圖顯示了GW170817信號在每個LIGO和Virgo探測器中的頻譜。水平軸是時間，豎直軸是頻率。雙星的「啁啾」信號從左側靠低處開始，提升至右側的陡峭曲線。「短時雜訊干擾」已經從LIGO利文斯頓探測器頻譜中消減，因而並不在圖中顯示。

與之前已經捕獲的4次引力波信號不同，此次探測到的引力波信號持續時間非常長，達100秒之久（之前的信號在LIGO探測器的敏感頻段內只能持續不到一秒的時間），並且掃過了LIGO的整個靈敏頻段——這個頻段與一個普通樂器能產生的聲波頻段幾乎相同。

以LIGO-Virgo合作組的快速引力波探測分析以及費米望遠鏡的伽馬暴探測為起點，世界範圍內的各望遠鏡相繼啟動觀測。

在GW 170817發布警報的時候，其空間位置正對著澳大利亞的上方，但是南非和智利的望遠鏡也同時在觀測。在智利黑夜的最初幾個小時里，Swope望遠鏡在星系NGC 4993里認證出了一個光學瞬變源（SSS17a）；在接下來的兩個星期里，地面望遠鏡和太空望遠鏡組成的陣列從紫外、光學、近紅外等波段追蹤著最初的探測。

而來自中國的「慧眼」衛星也第一時間對這一起引力波事件進行了觀測，守夜的科學家團隊立刻進行了幾乎實時的數據分析。

最終，來自全球各地的70架地面及空間望遠鏡探測到了許多來自這一事件的鄰近NGC4993星系的衰退的光信號。一場關於這場結合使用電磁波（光學）和引力波的「多信使」觀測運動徐徐展開。

時間再倒流：1974年「四選一」，為什麼選雙中子星系統？

1974年，馬薩諸塞大學的羅素·胡爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）使用波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡發現了著名的赫爾斯-泰勒（Hulse-Taylor）脈衝雙星PSR 1913+16。到目前為止，射電天文學家們已經繪製了40年它的軌道曲線，顯示著這兩顆星體正慢慢互相旋近。在大約3億年後，赫爾斯-泰勒脈衝雙星將會併合，併產生一個類似於GW170817那樣的信號。

那麼，天文學家們是如何確定GW170817出自兩顆中子星併合呢？

就目前已有的探測手段及能力來看，科學家們僅能探測到四種系統併合所產生的引力波：黑洞-黑洞併合、超新星不對稱爆發、黑洞-中子星併合以及中子星-中子星併合。LIGO於2016年2月11日首次探測到的引力波即屬於黑洞-黑洞併合系統產生的。

引力波的波源取決於系統的天體屬性，每個源都會產生不同的引力波信號。重要的屬性包括單個物體的質量、自旋的速度、被擠壓形變的難易度、雙星軌道的大小、軌道相對視線的傾角等等。所有這些屬性結合起來將決定引力波信號的總體形狀、強度和每一刻的變動。引力波天文學家們極盡所能測量信號中的變化，然後反推出天體源的各種屬性。

然而，雙黑洞併合所產生的光學對應體極少，科學家們只能通過LIGO/Virgo的激光干涉探測器探測到引力波，但是相應的光學信號，即光學對應體需要地面及空間望遠鏡來觀測。這也是為什麼今天之前，有人形容人類探測引力波處於「非聾即瞎」的階段：我們能夠「聽到」（能探測到）引力波，但卻看不到（可觀測到）相應的光學信號。

而超新星不對稱爆發所產生的光學對應體只有在它距離地球比較近時（銀河系內）才能觀測到。因此，選定範圍僅剩黑洞-中子星併合與雙中子星併合兩個選項。

最終，科學家們首次利用多信使探測去確認引力波的波源。

圖2：引力波、伽馬射線和可見光的位置。左邊的小格子展示了90%置信區間投影區域，分別來自LIGO（淺綠色），LIGO-Virgo（深綠色），來自費米與INTEGRAL時間延遲得到的三角定位（淺藍色），費米GBM（深藍色）。放大圖展示了宿主星系NGC4993的位置，包括了來自併合後10.9小時的Swope光學發現圖片（右上方）與在併合20.5天前的圖片（右下方）。

所謂多信使觀測是指通過引力波、電磁波、高能宇宙線、中微子中的兩個或多個進行聯合觀測的方法。這次引力波事件也標誌著第一次引力波的多信使探測：同時進行引力波和電磁波探測的成功。

在從引力波和伽馬信號認證出來的空間區域內，世界各地的望遠鏡傾盡全力開展了與源相關的後續觀測。在不同的電磁波波段和中微子渠道上，有許多至關重要的觀測。圖2展示了各類觀測的時間線。多波段的觀測對於這一發現的科學內涵的豐富性居功至偉。

圖3：GW170817，GRB170817A，SSS17a/AT2017gfo發現的時間線，以及以信使、波長和相對於引力波信號時間排列的後續觀測。對於每一個波段或信使都顯示了兩種信息。首先，陰影區域代表了在GCN通告里報告的時間。每行開頭展示著對應的作者。其次，帶圓圈的實線標誌著該源在對應波段至少被探測到一次。圓圈的大小大致由星等校準。

這些觀測仔細監視著信號的頻譜能量分布，揭示著這一特殊的電磁對應體是一個千新星（kilonovae）。此次觀測也堅定地將千新星和雙中子星併合聯繫起來，為「千新星來源於中子星併合階段，通過中子俘獲形成的重元素的放射性衰變的這一一物理圖景」提供了可靠證據。

通過對8月17日探測（觀測）到的信號及光學對應體進行分析，LIGO-Virgo合作組最終得知，雙中子星系統中單個星體的質量在0.86個太陽質量到2.26個太陽質量之間。這些質量值都和目前已知的所有中子星質量範圍相符合，這也是科學家們認為此次引力波事件出自一個雙中子星系統的原因之一。

從GW170817的信號中，科學家們也模擬了雙中子星併合的場景：在兩星併合前的大約100秒，它們相距400公里，卻在每秒內相互環繞12圈。每轉一圈，引力波的輻射就會迫使它們越發接近。隨著軌道的收縮，它們相互環繞的速度越來越快，引力波的強度和頻率也不斷增加。軌道的逐漸收縮過程被稱為「旋近（inspiral）」，而頻率的提升被稱作「啁啾（chirp）」信號。這一過程逐漸加快直到雙星併合而形成單個遺迹。

此外，從此次引力波信號得出的光度距離是40百萬秒差距（約1.3億光年），與NGC 4993星系的距離相符合。

值此，天文界作出了又一重大發現，人類對宇宙的探索與認知向前邁進了一大步。

《知識分子》邀請到了引力波研究相關領域的專家，就此次雙中子星併合引力波事件發表評論：

面對宇宙，人類不再是非聾即瞎

400多年前伽利略發明了天文望遠鏡，從此，遠在天邊的宇宙天體就變成了近在眼前。2016年2月11號美國的激光干涉引力波天文台宣布聽到了兩個黑洞結合在一起發出的聲音，人類也能夠聽到宇宙的聲音了！然而，這一次，人類不但聽到了天體結合發出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發的煙花！耳聽為虛，眼見為實！從此，人類終於耳聰目明了！

整個天文界都沸騰了，難道僅僅是因為欣賞了一場史無前例的音樂會和煙花表演飽了眼福？並不是！從此，耳聰目明的天文學家可以詳細研究中子星內部的物質到底是什麼，真的是一堆中子還是一團夸克物質？用引力波作為「標準燭光」替代超新星，是否會得到一幅不同的宇宙演化圖像？愛因斯坦說了引力波的速度是光速，真的是這樣嗎？一個嶄新的天文學、物理學和宇宙學的交叉前沿研究領域在一片驚呼中就這樣誕生了！

我感到自豪的是，今年（2017年）6月15號發射運行的慧眼天文衛星也參加了這個創造了天文學歷史的全球大聯測！我和同事們那天（2017年8月17號）夜裡用慧眼衛星對這個事件進行了觀測和幾乎實時的數據分析，迅速發布了觀測結果！（我還因為在辦公室打了個盹而小小地感冒了一場！）因為慧眼衛星的貢獻，慧眼團隊110科學家帶著慧眼的結果加入了這個「天文記錄」（全球將近一千個單位的三千多個作者）的歷史性論文。

——張雙南，中科院高能物理研究所所研究員