出品：科普中國(guó)

制作：黑洞來(lái)客 茍利軍 黃月

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

距離3位引力波科學(xué)家捧得2017諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)剛剛過(guò)去十幾天，一場(chǎng)聲勢(shì)浩大又神秘兮兮的發(fā)布會(huì)再度吸引了全世界的目光。在引力波探測(cè)已經(jīng)日?；慕裉?，是什么大新聞能惹出這么大的動(dòng)靜呢？答案于昨晚揭曉了。

圖1：人類首次探測(cè)到雙中子星合并的引力波以及相對(duì)應(yīng)的電磁信號(hào)

圖2：中子星合并產(chǎn)生的引力波和之前黑洞產(chǎn)生的引力波信號(hào)持續(xù)時(shí)間比較圖，此次雙中子星持續(xù)了大約100秒，這里只是展示了50多秒。

北京時(shí)間10月16日晚10點(diǎn)，一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí)的新聞發(fā)布會(huì)在華府全國(guó)新聞俱樂(lè)部（National Press Club）召開(kāi)，LIGO執(zhí)行主任大衛(wèi)·萊茲（David Reitze）宣布，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）于2017年8月17日首次發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的新型引力波事件！由兩個(gè)質(zhì)量分別為1.15和1.6個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的雙中子星并合所產(chǎn)生，根據(jù)探測(cè)日期確定編號(hào)為GW170817，距離我們1.3億光年。此外，在全世界眾多天文學(xué)家及探測(cè)設(shè)備的協(xié)同努力之下，還發(fā)現(xiàn)了該引力波事件的電磁對(duì)應(yīng)體。

2016年初，大衛(wèi)·萊茲曾站在這同一個(gè)地方，宣布人類首次探測(cè)到了引力波——那時(shí)候我們說(shuō)，多信使天文學(xué)新紀(jì)元即將開(kāi)啟。在這一次GW170817的探測(cè)中，人類首次同時(shí)探測(cè)到了引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體，這可以被視作引力波多信使天文學(xué)紀(jì)元真正意義上的開(kāi)端，在天文學(xué)發(fā)展史上有著劃時(shí)代的重大意義。另一方面，雙中子星合并通常被認(rèn)為是伽馬射線暴的一類產(chǎn)生源，會(huì)產(chǎn)生很多不同的觀測(cè)現(xiàn)象，所以綜合引力波、電磁波等多個(gè)方式的觀測(cè)，我們能夠對(duì)中子星這一充滿謎團(tuán)的天體做出更為詳細(xì)的了解。

圖3：可以看出LIGO引力波信號(hào)結(jié)束的時(shí)間和伽瑪暴的開(kāi)始時(shí)間相差了大約2秒鐘。

正如我們第一次直接探測(cè)到黑洞引力波一樣，此次探測(cè)到雙中子星引力波也完全是一個(gè)意外，而且來(lái)得有點(diǎn)早。此前，科學(xué)家們根據(jù)對(duì)雙中子星的了解和LIGO探測(cè)靈敏度的分析比較，估計(jì)至少要等到aLIGO進(jìn)一步升級(jí)、達(dá)到預(yù)期靈敏度之后，LIGO/VIRGO才有可能探測(cè)到雙中子星合并，差不多至少要等到2019年。人類提前兩年成功探測(cè)到雙中子星合并，算得上是一個(gè)美好的驚喜了。如果究其原因，除了探測(cè)到的這一系統(tǒng)距離我們比較近之外，多方面聯(lián)合協(xié)作是促成此次成功探測(cè)的重要因素。

1、全球協(xié)作，鎖定目標(biāo)

GW170817的探測(cè)過(guò)程振奮人心、值得一表，比國(guó)際刑警跨洲追捕逃犯還要精彩。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學(xué)家們獲得了一個(gè)消息，LIGO和Virgo探測(cè)器探測(cè)到了一個(gè)持續(xù)時(shí)間為100秒左右的新引力波信號(hào)，其形式與兩個(gè)中子星的并合相一致。在該引力波信號(hào)到達(dá)后大約1.7秒，NASA費(fèi)米衛(wèi)星搭載的伽瑪暴監(jiān)測(cè)器（GBM）和歐洲INTEGRAL望遠(yuǎn)鏡搭載的SPI-ACS探測(cè)器均探測(cè)到了一個(gè)暗弱的短時(shí)標(biāo)伽馬射線暴，并將其命名為GRB170817A。由于二者時(shí)間和空間的一致性，被認(rèn)為與引力波事件成協(xié)（“成協(xié)”指兩種現(xiàn)象是相關(guān)的）。

在得知這一消息之后，全世界各地的望遠(yuǎn)鏡就開(kāi)始了忙碌的觀測(cè)。在不到11個(gè)小時(shí)之內(nèi)，位于智利的Swope超新星巡天（SSS）望遠(yuǎn)鏡首先在星系NGC4993中觀測(cè)到了明亮的光學(xué)源，初步確認(rèn)為其光學(xué)對(duì)應(yīng)體，編號(hào)為AT2017gfo/SSS17a。在此之后，其他幾個(gè)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立探測(cè)到了該光學(xué)源，從而加以確認(rèn)。

在接下來(lái)的幾個(gè)星期之內(nèi)，天文學(xué)家動(dòng)用了世界上最為先進(jìn)的一些望遠(yuǎn)鏡，比如錢德拉X射線空間望遠(yuǎn)鏡（Chandra X-ray Telescope），哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，位于智利、口徑達(dá)到8.4米的甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope），還有亞毫米波段靈敏度最高的阿塔卡馬大型毫米波陣ALMA等等，對(duì)該區(qū)域開(kāi)展了緊鑼密鼓的觀測(cè)。這些觀測(cè)對(duì)這一災(zāi)變性事件提供了從并合前約100秒到并合后數(shù)星期的全面描述，最終證實(shí)了科學(xué)家的很多猜想：NGC4993星系中的兩個(gè)中子星并合，產(chǎn)生了引力波、短伽瑪暴暴和千新星。

圖4：（左）歐南臺(tái)幾個(gè)不同望遠(yuǎn)鏡看到引力波源對(duì)應(yīng)的光學(xué)圖像。（右）哈勃望遠(yuǎn)鏡在不同時(shí)間觀測(cè)到的圖像。

此次探測(cè)堪稱全球協(xié)作的一次完美體現(xiàn)，不過(guò)，就像大衛(wèi)·萊茲在發(fā)布會(huì)上所說(shuō)，NASA費(fèi)米衛(wèi)星伽瑪暴信號(hào)的探測(cè)使得此次LIGO探測(cè)大放光彩。盡管引力波信號(hào)先于伽馬射線信號(hào)產(chǎn)生，但有趣的是，NASA費(fèi)米衛(wèi)星發(fā)送的探測(cè)信號(hào)要早于LIGO團(tuán)隊(duì)的信號(hào)。原因在于，NASA費(fèi)米衛(wèi)星的伽瑪暴監(jiān)視器在探測(cè)到伽瑪暴信號(hào)GRB170817A之后，自動(dòng)向GCN系統(tǒng)發(fā)送了相關(guān)警報(bào)。然而，LIGO的自動(dòng)數(shù)據(jù)分析就耗時(shí)約6分鐘——科學(xué)家們先是在LIGO漢福德觀測(cè)站幾乎同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)中，找到了一個(gè)引力波事件候選體GW170817，發(fā)現(xiàn)此引力波早于GRB170817A兩秒發(fā)生，LIGO-Virgo快速響應(yīng)團(tuán)隊(duì)隨后手動(dòng)檢查了數(shù)據(jù)，才向其簽訂合作協(xié)議的組織發(fā)布了警報(bào)。之后，科學(xué)家又進(jìn)一步在歐洲INTEGRAL衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)中確認(rèn)了伽瑪暴信號(hào)的存在。本來(lái)平淡無(wú)奇的伽瑪暴信號(hào)，因?yàn)榕c一個(gè)很強(qiáng)的引力波候選體同時(shí)存在，一下子引起了整個(gè)天文界的觀測(cè)興趣，此天區(qū)也成為了一個(gè)熱門的觀測(cè)對(duì)象。

在9月底的第四次引力波發(fā)布會(huì)上，姍姍來(lái)遲的VIRGO已使得LIGO探測(cè)器的空間定位范圍從1160平方度收縮到100平方度，二者協(xié)同合作，將空間位置的精確性大大提升。如果進(jìn)一步利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所有可能參數(shù)進(jìn)行估算，空間定位將進(jìn)一步縮減至60平方度。這樣一來(lái)，空間定位就足足提高了將近20倍。在這次的雙中子星事件中，三個(gè)探測(cè)器最終將產(chǎn)生源定位于一個(gè)28平方度的范圍之內(nèi)。正因空間定位準(zhǔn)確性大大提高，電磁波段所探測(cè)到的空間確認(rèn)才成為了可能。

圖5：目前探測(cè)到的5次引力波空間定位比較圖，黃色是最新的引力波GW170817確定的引力波源所在的區(qū)域。

聯(lián)合觀測(cè)的另一個(gè)重要意義是快速反應(yīng)。無(wú)論是費(fèi)米觀測(cè)到的伽瑪暴，還是LIGO/VIRGO看到的引力波，持續(xù)時(shí)間都非常短暫，所以需要其它天文臺(tái)和觀測(cè)者立即對(duì)于可能區(qū)域進(jìn)行后續(xù)的追蹤觀測(cè)，這就需要某個(gè)系統(tǒng)即時(shí)通知可能的位置信息。

對(duì)于伽瑪暴而言，在上世紀(jì)末BeppoSAX衛(wèi)星在軌工作期間，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)興起，NASA建立了一個(gè)伽瑪射線暴協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)（Gamma-ray Coordinates Network, GCN）的郵件系統(tǒng)；一旦某個(gè)衛(wèi)星探測(cè)到伽瑪暴信號(hào)，將會(huì)以最快速度把伽瑪暴的位置信息發(fā)送到此系統(tǒng)中，凡是訂閱了該郵件系統(tǒng)的人都能夠即時(shí)收到提示，以便開(kāi)展可能的觀測(cè)。此次費(fèi)米觀測(cè)正是利用此系統(tǒng)，將觀測(cè)信息以最快的速度通知給了全球的很多組織，隨后才有眾多望遠(yuǎn)鏡紛紛加入觀測(cè)。當(dāng)然，對(duì)于LIGO/VIRGO組織而言，為了保證其可能的后續(xù)觀測(cè)，他們與全球近70個(gè)觀測(cè)組織（中國(guó)有將近10個(gè)組織）簽訂了備忘錄合同，一旦引力波信號(hào)被探測(cè)到，也會(huì)通過(guò)其特有的渠道傳遞相關(guān)信息。