人類首次看到產生引力波的天體事件

人類首次探測到中子星合併產生的引力波，並同時目睹了它們合併時發出的耀眼光芒。

藝術家筆下描繪的中子星合併。ESO

有史以來第一次，人類科學家直接探測到了兩顆中子星合併時產生的引力波，並同時目睹了它們合併時發出的耀眼光芒。這也是人類第一次通過引力波和電磁波兩種不同的方式，對同一起天體事件進行觀測。

這一發現是由美國的LIGO引力波天文台、歐洲的Virgo引力波天文台，以及至少70個遍布全球各處的地面電磁波天文台（包括中國的南極巡天望遠鏡）和空間望遠鏡共同取得的。

藝術家筆下發生合併的中子星。ESO

中子星是大質量恆星發生超新星爆發後殘留下來的緻密小天體。這些天體在相互迴旋靠近的過程中，會產生持續時間相當長久的引力波。中子星合併之後，會在伽馬射線的波段上發出閃光。這個閃光會在我們感知到引力波後不超過2秒時到達地球。而在隨後的幾天至幾星期內，我們還能夠接收到來自合併事件的多種形式的電磁波，如X射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波等。

此次聯合觀測，讓天文學家有了一次空前的機遇，來探測中子星的合併。美國雙子座天文台、歐洲南方天文台、哈勃太空望遠鏡還捕捉到了物質合成過程留下的證據，從而解開了一個懸而未決的謎團，即大部分比鐵重的元素究竟是從何而來的？這些被中子星合併製造出來的物質中包括了金和鉑。

相關成果以多篇論文的形式發表在了最近的《物理學評論通訊》等雜誌上。

發生合併的中子星位於距地球約1.3億光年的星系NGC 4993。這是歐洲南方天文台拍攝的該星系。ESO

這次引力波事件的編號為GW170817，是今年8月17日由兩個LIGO天文台的探測器發現的。在義大利Virgo天文台的協助下，科學家較為精確地確定了信號的方位。

8月17日，LIGO的實時數據分析軟體捕捉到了一個來自其中一台探測器的強引力波信號。而與此同時，NASA的費米太空望遠鏡監測到了一次伽馬射線暴。分析軟體綜合這兩個信號的分析結果後得出結論，這幾乎不可能是巧合。與此同時，另一台LIGO探測器也接收到了一個引力波信號。一次全球性的大規模後續觀測行動隨之展開。

紅色箭頭所指即為發生合併的中子星，也就是那顆「千新星」。ESO

LIGO的引力波數據表明，目標天體離地球大約1.3億光年，且在持續地迴旋靠近中。這一距離相對較近。數據還表明，這兩個天體的質量不大，和之前發現的不一樣，不是黑洞。它們的質量分別只有太陽的1.1和1.6倍，恰好符合中子星的質量標準。中子星的直徑通常在20公里左右，密度大得讓人難以想像——一勺中子星物質便可重達幾十億噸。

雙黑洞合併產生的引力波信號比較短促，不足一秒，而此次的引力波信號竟然長達100秒，且幾乎覆蓋了LIGO的整個頻段。科學家由此判定，這兩個天體的質量比黑洞要小得多。

中子星合併產生的引力波信號GW170817。LIGO

LIGO科學合作組織的代理髮言人Laura Cadonati表示，中子星合併事件的發生概率是非常低的。在自然的隨機狀態下，每8萬年也不見得能夠發生一次。而這次合併的這兩顆中子星離地球卻又如此之近。因此，能夠獲得這一發現實屬幸運。

與合併事件幾乎同時發生的伽瑪射線暴被費米望遠鏡捕捉到後，又被歐空局的伽瑪射線天文台進一步確認為是一次短伽瑪暴。這表明兩顆中子星在合併過程中至少發生了一次短伽瑪暴。而此前，這一切只存在於理論中。

NGC 4993星系中「千新星」亮度的變化。ESO

費米項目科學家Julie McEnery表示，幾十年以來，我們一直都在猜測，短伽瑪暴是否就是中子星合併產生的。現在，我們得到了答案。引力波數據告訴我們，這兩個合併天體的質量符合中子星標準；與此同時伽瑪射線的閃光又告訴我們，這兩個天體不是黑洞，因為黑洞的合併一般不會發出閃光。

舊謎得解，新的謎團卻又湧現。這次觀測到的短伽瑪暴是距地球最近的伽瑪暴之一，而其強度卻又令人吃驚地小。科學家們已經開始推測這背後的原因，但結果出來可能還要等上幾年。

信源在天空中的位置。ESO

這次觀測成果的取得，得益於團隊的通力合作。在LIGO、Virgo及費米太空望遠鏡探測到引力波和伽瑪暴信號之後，科學家們很快便在天空中確認了信號源的坐標。

坐標確定幾小時後，後續的觀測工作便已展開。需要追蹤的目標類似新星，首先發現它的是一台光學望遠鏡。最終，全球大約70多個天文台，既包括地面的，也包括在軌的太空望遠鏡，各顯神通，在它們各自擅長的波段範圍內對其進行了觀測。

2014年和2017年NGC 4993星系同一位置的對比。ESO

正如加州理工學院的David H. Reitze所說的那樣，這次探測活動開啟了一扇通往人們期待已久的「多信使」天文學的窗口。這是有史以來第一次，我們在引力波和電磁波兩個不同的領域，對同一起天體物理學事件進行觀測。引力波天文學的介入，為我們提供了新的機遇，來理解中子星的特性。而單靠電磁波天文學是辦不到這一點的。

每一個通過電磁波進行觀測的天文台都出具了各自的詳細觀測報告。與此同時，將所有這些觀測結果綜合到一起後，一個完整的結果便浮現在我們眼前。它進一步向我們證實，LIGO探測到的引力波信號確實來自一對迴旋合併的中子星。

藝術家描繪的雙中子星，它們正在迴旋中相互靠近，並同時產生引力波。ESO

大約1.3億年前，兩顆中子星在經歷了漫長的互相環繞運行之後，走到了它們生命中的關鍵時刻。此時的它們相距只有大約300公里。而隨著迴旋的速度越來越快，它們之間的距離也越來越近。它們拉伸、扭曲著周圍的時空，將能量以強大的引力波形式釋放了出去，直至最終撞到一起。

碰撞發生時，兩顆中子星的大部分融合在了一起，成為了一個密度超大的新天體。與此同時，一個伽瑪射線的「火球」被生產了出來。引力波和伽瑪暴幾乎同時到達地球，進一步證明了愛因斯坦廣義相對論的預言，即引力波以光速傳遞。

中子星合併後產生的「千新星」（星系內部左上角的亮點）。ESO

理論學家預言，中子星相撞後會產生一顆所謂的「千新星（kilonova）」。它是中子星相撞後剩餘物質發出的光。這些物質會朝著四周的太空飛濺。光學觀測結果表明，一些重元素，如鉛和金，在此過程中被製造了出來，擴散到了周邊的宇宙中。

在接下去的幾個星期至幾個月中，全球各地的望遠鏡還將繼續觀測這對中子星合併留下的餘暉，確認合併過程中存在的多個階段，了解它和周邊環境的相互作用和重元素的製造過程。

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