2、比雙黑洞合并更美的雙中子星合并

正如發(fā)布會提到的，這次探測到的引力波是由雙中子星合并而產(chǎn)生，之前公布的4例引力波事件都是由雙黑洞所產(chǎn)生。二者之間最大的差別就在于，雙中子星合并會產(chǎn)生電磁波輻射，而對于黑洞而言，我們通常認(rèn)為不會產(chǎn)生，這一點(diǎn)也得到了觀測上的驗(yàn)證。

是什么原因?qū)е铝舜朔N差別呢？通常而言，按照天體物理輻射的理論要求，要產(chǎn)生電磁輻射，天體周圍必須要有氣體的存在。對于黑洞系統(tǒng)而言，盡管在最初產(chǎn)生時，黑洞周圍可能有很多氣體，然而在漫長的演化過程當(dāng)中，如果沒有更多氣體來源的話，在黑洞合并的最后階段，氣體已消耗完畢，所以無法產(chǎn)生電磁輻射，只能產(chǎn)生擾動時空的引力波——就像科學(xué)家前4次探測到的那樣。

在雙中子星合并之前，周圍的氣體很可能也已消耗完畢。然而，合并過程當(dāng)中會有部分物質(zhì)以接近光速或遠(yuǎn)低于光速的速度被拋射出去，從而產(chǎn)生我們看到的各種電磁現(xiàn)象——短時標(biāo)伽馬射線暴（簡稱伽瑪暴）、伽瑪暴余輝和千新星。接近光速運(yùn)動的物質(zhì)產(chǎn)生了費(fèi)米衛(wèi)星看到的伽瑪暴，而低速運(yùn)動的物質(zhì)產(chǎn)生了千新星，被很多的光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡捕捉到。

等等，短時標(biāo)伽馬射線暴、伽瑪暴余輝和千新星都是什么？讓我們一一說來。

簡單來說，伽瑪暴是天空中某一個方向伽馬射線輻射突然增亮的現(xiàn)象，可以說是宇宙間自大爆炸之后最為劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象。20世紀(jì)90年代初，康普頓伽馬射線天文臺在觀測到上千個伽瑪暴之后做了一個簡單統(tǒng)計(jì)，按照它們持續(xù)時間的長短分為兩大類：一類是爆發(fā)時間長于2秒的長時標(biāo)伽瑪暴，另一類是爆發(fā)時標(biāo)短于2秒的短時標(biāo)伽瑪暴。后經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，這兩種伽瑪暴的產(chǎn)生起源完全不同。

根據(jù)目前的理解，無論是大質(zhì)量恒星坍縮形成的長時標(biāo)伽瑪暴，還是雙致密星產(chǎn)生的短時標(biāo)伽瑪暴，盡管中心天體會有差別（或者是黑洞，或者是轉(zhuǎn)動極快的磁星），伽瑪暴的產(chǎn)生機(jī)制以及之后的演化都可以用一個被稱為“火球”模型（fireball model）的理論來解釋。在這個理論中，中心天體會在一段時間內(nèi)，產(chǎn)生相對持續(xù)的極端相對論噴流，這就意味著，這些噴出物質(zhì)會以接近光速速度，沿著天體的轉(zhuǎn)軸方向向外運(yùn)動。因?yàn)閲娚涑鋈サ奈镔|(zhì)之間存在著速度上的微小差別，導(dǎo)致它們彼此發(fā)生碰撞，將自身運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)化為氣體粒子的熱能，而后在磁場作用下產(chǎn)生我們所看到的高能輻射，也就是早期的伽馬射線，這就很好地解釋了我們所看到的伽瑪暴。大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的噴流時間長，雙中子星合并產(chǎn)生的噴流時間短，從而導(dǎo)致了我們觀測上的差別。

這些星體周圍存在著星際氣體介質(zhì)，噴流物質(zhì)在停止相互碰撞之后會繼續(xù)向外運(yùn)動，與周圍的氣體介質(zhì)發(fā)生相互作用，把自身運(yùn)動的能量傳遞給周圍的星際氣體，星際氣體被加熱從而產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，這就是所謂的伽瑪暴余輝。它的能譜（energy spectrum）波段會從X射線一直延伸到射電波段。在一定程度上，余輝的強(qiáng)弱與周圍星際氣體的密度相關(guān)，密度更高，余輝也就更亮。

此次與引力波相關(guān)的伽瑪暴屬于短時標(biāo)伽瑪暴，因?yàn)橘M(fèi)米衛(wèi)星觀測到的爆發(fā)時標(biāo)為0.7秒。除此之外，無論是引力波的結(jié)果還是電磁波的觀測擬合結(jié)果，也都和雙中子星合并的預(yù)期相一致。例如，引力波波形的擬合告訴了我們中子星的質(zhì)量，與中子星的質(zhì)量范圍一致。

在雙中子星合并的過程當(dāng)中，有大約1/1000到1/100左右太陽質(zhì)量的物質(zhì)沿各個方向被拋射出去，形狀近似于一個球體。這些拋射出去的物質(zhì)通過快中子俘獲過程產(chǎn)生大量的重元素。這些元素很不穩(wěn)定，能夠快速衰變，產(chǎn)生輻射加熱拋射物，從而使其發(fā)出明亮的可見光以及近紅外輻射，其亮度通常會達(dá)到千倍的新星級別，故被稱為“千新星”。因?yàn)檫@個千新星距離地球很近，所以非常明亮，是之前探測到的短時標(biāo)伽瑪暴距離的十分之一。

圖6：雙中子星旋近，最終合并產(chǎn)生千新星的過程

因?yàn)楫a(chǎn)生引力波的天體完全不同，所以我們觀測到的引力波形會存在較大差別。中子星的質(zhì)量相較于黑洞要小很多，合并過程中對于時空的擾動變形程度更弱，所以，在目前探測器靈敏度確定的情況下，我們只可能探測到比較臨近的引力波信號。這次的引力波源距離我們1.3億光年，是目前探測到的所有引力波源中最近的一例。通過波形的擬合，科學(xué)家們確定了兩個中子星的質(zhì)量分別大約是1.15和1.6個太陽質(zhì)量，合并后的天體質(zhì)量約為2.74個太陽質(zhì)量，拋射出去的僅有0.01個太陽質(zhì)量。