雙中子星并合：從發(fā)現(xiàn)“引力波”到“看到”引力波

美國時(shí)間16日10時(shí)（北京時(shí)間16日22時(shí)），美國國家自然科學(xué)基金會(huì)召開媒體見面會(huì)，邀請(qǐng)美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）、歐洲處女座（Virgo）引力波探測(cè)器以及世界各地70多家天文臺(tái)的科學(xué)家代表，共同宣布人類首次探測(cè)到來自雙中子星并合的新型引力波，并“看到”這次并合事件發(fā)出的電磁信號(hào)。

這次發(fā)布會(huì)確認(rèn)，美國東部時(shí)間8月17日8時(shí)41分，LIGO捕捉到這一引力波信號(hào)GW170817，由距離地球1.3億光年的長蛇座NGC4993星系內(nèi)兩個(gè)中子星并合產(chǎn)生。隨后，美國國家航空航天局（NASA）的費(fèi)米伽馬射線望遠(yuǎn)鏡在發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)的NGC4993星系內(nèi)，探測(cè)到一個(gè)持續(xù)時(shí)間大約2秒的短伽馬暴（編號(hào)為GRB170817A）。隨后包括歐洲南方天文臺(tái)（ESO）甚大望遠(yuǎn)鏡、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、錢德拉X射線天文臺(tái)以及阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列等全球數(shù)十家天文臺(tái)兩天內(nèi)對(duì)準(zhǔn)NGC4993星系，共同觀測(cè)到了這次雙中子星并合事件。

2015年9月14日，LIGO研究團(tuán)隊(duì)首次探測(cè)到引力波，并在2016年2月份對(duì)外發(fā)布了相關(guān)結(jié)果。自那以后，研究人員又陸續(xù)確認(rèn)了三次引力波事件，最近的一次信號(hào)首次由LIGO以及Virgo共同探測(cè)。這四次引力波信號(hào)都是源自宇宙深處兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生，不會(huì)發(fā)射電磁波，而天文學(xué)家們一直在期待另一種形式的引力波事件——雙中子星并合，因?yàn)檫@種并合產(chǎn)生的引力波會(huì)伴隨電磁波等發(fā)光信號(hào)，從而可以被傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡直接探測(cè)到。所以每次LIGO發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)，許多天文學(xué)家會(huì)利用望遠(yuǎn)鏡跟進(jìn)觀測(cè)，希望成為發(fā)現(xiàn)電磁波小亮點(diǎn)的“第一個(gè)吃螃蟹者”。

根據(jù)現(xiàn)有理論，黑洞或中子星與中子星并合后，至少會(huì)產(chǎn)生引力波、千新星、千新星射電輻射、短伽馬暴和短伽馬暴余輝這五類信號(hào)，其中千新星是并合后產(chǎn)生的金銀等放射性物質(zhì)形成，其在衰變中會(huì)釋放大量高能射電輻射，而短伽馬暴以及包括X射線、射電等多波段輻射在內(nèi)的短伽馬暴余輝，則是由另一部分物質(zhì)在黑洞周圍形成的“黑洞—吸積盤”系統(tǒng)，與星際物質(zhì)相互作用形成。

自北京時(shí)間2017年8月18日21時(shí)10分起（即距離引力波事件發(fā)生24小時(shí)后），中國南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3合作團(tuán)隊(duì)利用正在中國南極昆侖站運(yùn)行的第2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡AST3-2對(duì)GW170817開展了有效的觀測(cè)，此次觀測(cè)持續(xù)到8月28日，期間獲得了大量的重要數(shù)據(jù)，并探測(cè)到此次引力波事件的光學(xué)信號(hào)。這些數(shù)據(jù)揭示了此次雙中子星并合拋射出約1%太陽質(zhì)量（超過3000個(gè)地球質(zhì)量）的物質(zhì)，這些物質(zhì)以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質(zhì)核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了雙中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源地。而過去，我們僅知道宇宙大爆炸產(chǎn)生了氫、氦等元素，大質(zhì)量恒星爆發(fā)產(chǎn)生鐵等元素，而對(duì)其他重鐵元素究竟是怎么來的則一無所知，這也就意味著我們?nèi)祟愒谔綔y(cè)未知世界的路上更近了一步。

中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員吳雪峰表示，AST3-2在南極地區(qū)觀測(cè)雙中子星并合產(chǎn)生的引力波事件有極大的便利，不僅地面干擾較小，且連續(xù)觀測(cè)時(shí)間更長。而在南極地區(qū)的所有天文望遠(yuǎn)鏡中，僅有我國AST3-2觀測(cè)到引力波事件的光學(xué)信號(hào)，其他均未觀測(cè)到。

AST3-2是我國在昆侖站安裝的第二臺(tái)南極巡天望遠(yuǎn)鏡。其有效通光口徑50厘米，是南極現(xiàn)有最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并且完全實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下的無人值守全自動(dòng)觀測(cè)。目前，AST3-2主要進(jìn)行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學(xué)對(duì)應(yīng)體探測(cè)等天文研究。

我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——慧眼HXMT望遠(yuǎn)鏡，在雙中子星并合產(chǎn)生引力波事件發(fā)生時(shí)成功監(jiān)測(cè)了引力波源所在的天區(qū)。對(duì)其伽馬射線電磁對(duì)應(yīng)體（簡稱引力波閃）在高能區(qū)（MeV，百萬電子伏特）的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機(jī)制作出了重要貢獻(xiàn)。

因?yàn)樵撘Σㄊ录哂袠O為重要的意義，天文學(xué)家使用了大量的地面和空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，形成了一場天文學(xué)歷史上極為罕見的全球規(guī)模的聯(lián)合觀測(cè)。然而，引力波事件發(fā)生時(shí)僅有4臺(tái)X射線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡成功監(jiān)測(cè)到爆發(fā)天區(qū)，慧眼望遠(yuǎn)鏡便是其中之一。

在這些望遠(yuǎn)鏡中，慧眼在0.2—5MeV能區(qū)的探測(cè)接收面積最大、時(shí)間分辨率最好，因此對(duì)引力波閃（即編號(hào)為GRB170817A的伽馬射線暴）的MeV能區(qū)的伽馬射線輻射的探測(cè)能力最強(qiáng)。雖然此前人們普遍預(yù)計(jì)像本次事件這樣近距離（40Mpc，約1.3億光年）的雙中子星并合產(chǎn)生的引力波閃將極為明亮，但本次引力波事件產(chǎn)生的引力波閃出乎意料地暗弱，特別是在MeV能區(qū)的輻射十分微弱，導(dǎo)致沒有望遠(yuǎn)鏡（包括慧眼在內(nèi)）在這個(gè)能區(qū)探測(cè)到引力波閃?；垩弁h(yuǎn)鏡憑借強(qiáng)大的探測(cè)性能，對(duì)該引力波閃在MeV能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的上限。

值得注意的是，慧眼望遠(yuǎn)鏡本來的設(shè)計(jì)目標(biāo)是探測(cè)黑洞和中子星等銀河系內(nèi)的X射線天體，研究極端引力場條件下的物理規(guī)律。項(xiàng)目組通過對(duì)慧眼望遠(yuǎn)鏡輔助探測(cè)器的創(chuàng)新性使用，獲得了額外的探測(cè)伽馬暴及引力波電磁對(duì)應(yīng)體的能力，使其成為國際上正在運(yùn)行的最重要的伽馬射線暴監(jiān)測(cè)設(shè)備之一，大大擴(kuò)展了望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)產(chǎn)出。

（來源：中國科技網(wǎng)）