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可以進一步回答宇宙從哪里來、又往哪里去

國際天文界再次被引力波刷屏。多國科學(xué)家10月16日宣布，人類首次直接探測到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號。中子星引力波怎么探測？引力波解答了哪些疑問？還有哪些未解之謎？本刊記者就此采訪了有關(guān)科學(xué)家。

引力波怎么探測

北京時間10月16日晚22時，包括我國在內(nèi)的多國科學(xué)家宣布，人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”由這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。

南極巡田望遠鏡AST3·2

據(jù)科學(xué)家介紹，2017年8月17日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）發(fā)現(xiàn)一個新的引力波信號GW170817。這個信號是一個由雙中子星合并產(chǎn)生的引力波。全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、X光、紫外和射電波等多個波段開展后續(xù)觀測。其中，也包括中國架設(shè)在昆侖站的南極巡天望遠鏡AST3-2。

僅僅在LIGO觀測到引力波信號后的1.7秒，美國費米太空望遠鏡探測到名為GRB170817A的伽馬射線暴?！百M米幾乎在同一時間觀測到伽馬射線暴，讓我們更加興奮，也更有緊迫感?！奔又堇砉W(xué)院LIGO數(shù)據(jù)分析小組負(fù)責(zé)人艾倫·溫斯坦教授回憶說。

LIGO和費米在遇到強信號時，會自動向天文界發(fā)送警報。這是一場與時間的賽跑，世界范圍內(nèi)的望遠鏡后續(xù)觀測隨即啟動。大約11個小時后，位于智利的斯沃普望遠鏡率先觀測到此次信號的光學(xué)對應(yīng)物——位于一個叫NGC4993星系的雙中子星系統(tǒng)。

基于AST3-2獨立收集到的數(shù)據(jù)，科研人員還計算出，此次兩顆致密中子星合并的過程共拋射出超過3000倍地球質(zhì)量的物質(zhì)，這些物質(zhì)攜帶有巨大能量，拋射速度達到0.3倍光速。

引力波也被稱為“時空的漣漪”。1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言，劇烈的天體活動會帶動周圍的時空一起波動，這就是引力波的由來。此后百年間，科學(xué)界一直在尋找引力波的存在。此前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)4例由雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波。

何以震驚天文學(xué)界

為什么中子星引力波引起天文界震動？專家們說，主要原因有三個。

首先，這是人類第一次探測到雙中子星合并。LIGO項目組成員、美利堅大學(xué)天體物理學(xué)家格雷戈里·哈里告訴本刊記者，此前觀測到的引力波均來自黑洞。黑洞完全由扭曲時空構(gòu)成，本質(zhì)上沒有物質(zhì)，而中子星卻是一個切實星體。

哈里說，中子星引力波可以用來直接測量到源的距離，而相應(yīng)的電磁信號給出了速度，由此可用來校準(zhǔn)宇宙膨脹速度，即所謂哈勃常數(shù)，從而進一步回答宇宙從哪里來、又往哪里去等重大問題。

其次，這是人類第一次同時觀測到來自同一個天文事件的引力波和電磁波，使得確認(rèn)宿主星系成為可能。這一事件展示了引力波與電磁波等不同研究團隊之間開展合作的重要性，也標(biāo)志著“多信使天文學(xué)”跨入新時代。

“我想說的是，這是第一次我們既能‘看到也能‘聽到的一個天文事件，這些不同的‘感官體驗將能給我們很多信息?！惫镎f，“引力波天文學(xué)才剛剛開始，隨著21世紀(jì)向前發(fā)展，我們可以期待引力波觀測將為宇宙學(xué)、天文學(xué)、天體物理學(xué)、核物理學(xué)和引力學(xué)以及其他領(lǐng)域帶來更多見解?！?/p>

第三，地面紅外望遠鏡探測到了中子俘獲過程，從而第一次提供確鑿證據(jù)證實了中子星合并就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源地。

南非夸祖魯-納塔爾大學(xué)的引力波研究專家馬寅哲在發(fā)給本刊記者的一份電子郵件中開玩笑說：“如果有人問戴著金戒指的女性朋友，她的金戒指從哪兒來，她應(yīng)該說，這是從銀河系中的合并中子星那里產(chǎn)生的?！?/p>

還有哪些未解之謎

本次LIGO項目組宣布發(fā)現(xiàn)的引力波，來自距地球約1.3億光年處的雙中子星合并。與黑洞合并只產(chǎn)生引力波不同的是，中子星合并除產(chǎn)生引力波外，還發(fā)出了大量的電磁波。

這就是讓天文學(xué)家感到興奮的“多信使天文學(xué)”。引力波和電磁波作為不同的“信使”，可以告訴我們同一個天文事件在不同方面的信息。美國田納西大學(xué)天體物理學(xué)教授邁克爾·吉德里說，“多信使天文學(xué)”是天文學(xué)家長期追求的“圣杯”，將對相關(guān)領(lǐng)域的未來產(chǎn)生巨大影響。

哈里說，如果沒有引力波研究，中子星的許多性質(zhì)都將是長期懸而未解的謎，包括在強引力作用下怎么彎曲變形、合并時將會發(fā)生什么情況、質(zhì)量多大時會形成黑洞，等等。

“GW170817不能回答所有這些問題，但它給我們提供了以前沒有的信息，并且表明引力波觀測是解答這些問題的一個切實可行的方法?！惫镎f。

他指出，迄今探測到的5次引力波信號都與愛因斯坦的廣義相對論理論完全吻合，但廣義相對論卻與量子力學(xué)不相容，因此一些觀點認(rèn)為廣義相對論需要修正。諸如GW170817等事件是少數(shù)能在引力極限情況下驗證廣義相對論的辦法之一?！拔覀冞€有可能觀測到更強、更清晰的信號，那也許能向我們展示愛因斯坦引力理論所不能解釋的東西。”

具體到這次事件，雙中子星合并之后變成了什么，依然沒有答案?？茖W(xué)家列出了兩種可能性，一種是變成了非常大質(zhì)量的中子星，另一種是變成了黑洞。但不管是什么，它的質(zhì)量大約相當(dāng)于2.74個太陽。