3、已解之惑與未解之謎

此前，無論是對于中子星本身，還是雙中子星合并產(chǎn)生的伽瑪暴，我們還有很多的疑難問題有待解答。雙中子星合并之后，產(chǎn)生的是轉(zhuǎn)速更快的中子星還是黑洞？有多少物質(zhì)會在爆發(fā)中被拋射出去？噴流的機(jī)制和噴流的夾角是怎樣的？我們都還不能確定。

此外，到目前為止，科學(xué)家對于中子星內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)仍不是特別清楚。而當(dāng)兩個(gè)中子星互相靠近但未合并之時(shí)，兩個(gè)中子星會被彼此的潮汐力拉扯嚴(yán)重變形，從而最終影響旋近的速度，也會影響產(chǎn)生的引力波波形。所以，科學(xué)家們希望，引力波和電磁波的聯(lián)合觀測能夠?qū)@些問題提供一部分珍貴的答案。

遺憾的是，受限于目前引力波探測設(shè)備的靈敏度，引力波信號曲線并不是很好，所以對于有關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題并沒有得到解答。但是，對于部分合并之后拋出了多少物質(zhì)的問題，我們已經(jīng)初步有了答案。值得驕傲的是，這一答案是由一部參與觀測的中國望遠(yuǎn)鏡給出的。（答案后文馬上揭曉）

雙中子星合并之后是產(chǎn)生了中子星，還是產(chǎn)生了黑洞？現(xiàn)在依然無法確定。因?yàn)橥ㄟ^引力波波形的擬合，合并后的質(zhì)量約為2.74太陽質(zhì)量。從理論上說，如果一個(gè)天體的質(zhì)量超過3個(gè)太陽質(zhì)量，通常會被認(rèn)為可以成為黑洞。而中子星的最大允許值并不明確，如果中子星的內(nèi)部由中子構(gòu)成，綜合考慮狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)速，要想達(dá)到2.74個(gè)太陽質(zhì)量不太可能。然而如果內(nèi)部由其他的奇異物質(zhì)（比如夸克）構(gòu)成的話，在一定條件下，這個(gè)質(zhì)量的天體就有一定可能性，此時(shí)這一天體應(yīng)該被稱為“夸克星”。不過，目前所有觀測都沒能給出中子星和黑洞的臨界質(zhì)量，當(dāng)然也沒能給出夸克星存在的證據(jù)。從觀測的角度而言，我們觀測到的最重的中子星大約是2個(gè)太陽質(zhì)量，最小質(zhì)量的黑洞質(zhì)量是5個(gè)太陽質(zhì)量；在這兩者之間，一片空白，還未發(fā)現(xiàn)任何致密天體的質(zhì)量屬于這個(gè)范圍。所以，對于此次雙中子星合并產(chǎn)生的2.74個(gè)太陽質(zhì)量的天體，盡管我們還不能確定它到底是什么，但是這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了黑洞和中子星之間的空白，為日后更多的天文發(fā)現(xiàn)掀起了帷幕的一角。

圖7：目前所探測到的黑洞和中子星質(zhì)量分布圖，可以看到兩者之間存在一個(gè)很大的空白，此次探測是第一個(gè)填進(jìn)此空白區(qū)域的天體。

盡管科學(xué)家們沒有看到中子星內(nèi)部信息，也不知道最終的合并物是什么，但眾多后續(xù)電磁觀測還是告訴我們了一些之前不太確定的信息，比如甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）的光譜觀測確認(rèn)了重金屬（比如我們熟知的金銀等元素）的來源，大多數(shù)就是在中子星合并的過程當(dāng)中產(chǎn)生的。

圖8：元素起源表。黃色代表了并合中子星所產(chǎn)生的元素，我們常見的金銀就是通過此過程產(chǎn)生的。

之前科學(xué)家曾在短時(shí)標(biāo)伽瑪暴中探測到了3起疑似千新星事例，但只不過是在余輝的光變曲線當(dāng)中看到了幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)而已。因?yàn)榇舜斡捎诰嚯x很近，而且伽瑪暴余輝很弱，所以完全確認(rèn)了千新星的存在。另外，通過對于其光變曲線演化的擬合可以推斷，大約有百分之一的物質(zhì)在合并過程中被拋射出去。

除此之外，電磁信號和引力波信號的結(jié)合對于天文學(xué)理論本身有何促進(jìn)意義呢？一方面，科學(xué)家可以通過這兩個(gè)信號到達(dá)的時(shí)間差，來檢驗(yàn)愛因斯坦的弱等效原理，這是愛因斯坦廣義相對論和其它引力理論的基石，愛因斯坦的理論再一次通過了檢驗(yàn)。

另外，引力波信號和電磁信號相結(jié)合，可以對宇宙學(xué)的一些最基本參數(shù)做出限制，比如用來描述宇宙膨脹快慢的哈勃常數(shù)。通過引力波的振幅比對可以推斷出系統(tǒng)到我們的光度距離，通過電磁波段的光譜分析，我們便可以知道這一系統(tǒng)的紅移；在給定兩者的情況之下，我們便能夠推算出哈勃常數(shù)的數(shù)值了：

相較于來自普朗克衛(wèi)星的數(shù)值：

很明顯，引力波給出的數(shù)值誤差很大。但可以預(yù)見的是，隨著探測精度的提高（除LIGO/VIRGO之外，日本臂長為3公里的KAGRA探測器也開始測試，LIGO-India以及很多的第三代引力波探測器在計(jì)劃之中）以及探測到的引力波源數(shù)目的增多，這個(gè)誤差很快將得到改進(jìn)。

此次引力波現(xiàn)象發(fā)生在南天的長蛇座，北天的望遠(yuǎn)鏡很難看到，所以中國的大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡沒能進(jìn)行觀測，比如剛剛建成的FAST以及很多光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（云南麗江的2.4米望遠(yuǎn)鏡和國家天文臺興隆觀測站的2.16米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等）。

不過幸運(yùn)的是，中國有兩臺望遠(yuǎn)鏡參與了此次觀測，一個(gè)是位于南極Dome A的50厘米的南極光學(xué)巡天望遠(yuǎn)鏡（AST3），項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人是紫金山天文臺的王力帆研究員。在引力波源信息發(fā)布的約一天后，AST3望遠(yuǎn)鏡開展了對于這個(gè)目標(biāo)源的觀測。而當(dāng)時(shí)南極的冬天也剛剛過去，目標(biāo)天體的地平高度較低，受于太陽的限制，每天差不多有2個(gè)小時(shí)左右的觀測時(shí)間。此望遠(yuǎn)鏡最終進(jìn)行了10天的觀測，最終得到了目標(biāo)天體的光變曲線，與巨新星理論預(yù)測高度吻合。

另外一個(gè)參與觀測的是硬X射線調(diào)制空間望遠(yuǎn)鏡（又名慧眼）。在觀測消息發(fā)布時(shí)，事件剛好在其觀測范圍之內(nèi)，不過很遺憾的是，盡管慧眼是此能段內(nèi)靈敏度最高的觀測設(shè)備，但是未能在0.2-5 MeV的能段內(nèi)探測到任何電磁信號，這很可能與此伽瑪暴并非完全正對我們有關(guān)。

這是人類歷史上第一次同時(shí)探測到引力波及其電磁對應(yīng)體，將成為引力波天文學(xué)上另外一個(gè)非常重要的里程碑。此次探測為我們解答了一些疑惑，同時(shí)也提出了更多問題，與歷史上所有天文發(fā)現(xiàn)一樣，是人類好奇心的勝利與新起點(diǎn)。在多信使引力波天文學(xué)時(shí)代的帷幕由此拉開之后，我們相信，在人類團(tuán)結(jié)協(xié)作的力量之下，更多的宇宙奧秘將被一一揭曉。

圖9：（左）南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3; （右）硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡。

特別致謝：寫稿過程當(dāng)中，許多老師提供了信息并對部分疑問做了耐心解答，在此特別感謝。

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