新聞哥：終於見分曉! 天文學們憋到快炸的大新聞, 到底説了啥?

　　是的，天文界沸騰了。

　　世界各地的許多望遠鏡都指向了同一個方向。

　　預言中的景象如期而至。

　　全世界的天文學家都嗨翻了。

　　而這一切的開端，是那個短短一瞬的信號。

　　2017年8月17日，12:41:04 (協調世界時)，在近地軌道默默飛馳着的費米-伽馬射線太空望遠鏡向地面自動發送了一條簡訊，內容是它剛剛探測到了一次來自宇宙深處伽馬射線暴發。

　　大約6分鐘後， 位於美國加利福尼亞州漢福德市的 LIGO 引力波探測器傳來消息，在剛剛探測到的伽馬暴發生前 1.7秒，探測到一次引力波暴發事件。

　　13:21:42，加入全球聯網系統（Gamma-ray Burst Coordinates Network, GCN）的世界各地的望遠鏡控制中心同時收到一則通知，內容是發現一例高度疑似雙中子星併合事件，並通報了初步判定的方位座標。全世界的天文學家頓時都沸騰了，紛紛把自己的望遠鏡指向信號來源的方向.....

　　同一時間（北京時間8月17日晚上9點多鐘），已經通過協議加入了LIGO多信使全球觀測合作的慧眼團隊，也收到了疑似觀測到雙中子星合併的通報，把在軌運行僅2個月，還處在緊張測試階段的慧眼衞星，對準了信號來源的方向……

　　全世界的望遠鏡都在同一時間指向了同一個方向：那席捲1.3 億光年的時空狂瀾的源頭。

　　第一次，人類不僅“聽”到了引力波的“聲音”，還“看”到了引力波的起源。

　　不一樣的引力波

　　這已經是 LIGO 探測到的第 6 個引力波信號了。前 5 次的引力波都是來自兩個黑洞合併，並且黑洞的總質量都超過20個太陽質量。相互繞轉的黑洞在時空中激起震盪，就像蹦牀中央兩個跳舞的大胖子在蹦牀上激起的震顫一樣。而這一次引起引力波的物體總質量只有 2.8 個太陽質量，這對於黑洞而言太小了，倒很像是中子星。除了質量的不同之外，其他 5 次黑洞合併沒有被用任何電磁波望遠鏡觀測到，而這一次卻被從射電到伽馬射線、工作在不同電磁波能段上的不同望遠鏡探測到。這些跡象都表明，這一次的引力波應該來自兩個中子星的碰撞。

　　中子星是何方神聖？為什麼它碰撞發出的引力波比黑洞的引力波更讓科學家們興奮？

　　中子星與脈衝星

　　宇宙中密度最高的物體當屬黑洞。但嚴格來講，黑洞並非屬於這個時空的物質，而是掉入時空深淵的緻密物質在這個時空投下的一片陰影。因此黑洞能表現出來的性質非常簡單：質量、自轉速度、電荷。正因為這樣，一個諾大的黑洞像一個基本粒子一樣簡單。兩個黑洞如何併合，將產生何種引力波，儘管求解並不簡單，但是總的來説是清楚明白。至於黑洞併合後的結局，則只能是一個更大的黑洞，並無什麼意外。而且理論上説，兩個黑洞的併合除了引力波之外，什麼其他輻射也不會產生。因此，除去第一次發現引力波的欣喜震撼之外，這接二連三的雙黑洞引力波事件逐漸變得有些無趣：一些完全意料之中的信號，一些很難挖掘更多信息的信號。

　　而中子星則不同。它是密度僅次於黑洞的存在形態。如果用觀音菩薩的玉淨瓶去中子星裏舀一瓶物質，重量將與全部渤海水相當。並且不同於黑洞，中子星的物質結構沒有被時空的遮羞布擋起來，因此是有機會一窺究竟的。那是在高度彎曲時空中的簡併態中子物質，那將是地球人從未想象過的物質形態。

　　除了不可思議的高密度之外，中子星還擁有地球實驗室無法企及的強磁場環境。竭盡目前人類技術之極限，在實驗室中可以產生的磁場強度不到 100 特斯拉。而中子星輕輕鬆鬆就可以達到十億特斯拉的磁場。這強大磁場在中子星周圍產生了一個比自身半徑大百倍的，充滿了等離子體和電磁波的磁層。這使得中子星在兩極發出電磁波束，像一盞巨大的探照燈。

　　當地球恰好出現在這盞探照燈掃過的地方時，這顆中子星就會被地球探測到。此時這顆中子星被叫做一顆脈衝星。因此脈衝星是中子星的一種表現形式。

　　兩顆中子星在碰撞之前，必然先相互靠近繞轉。與黑洞的純引力作用不同的是，兩顆中子星的磁場會在很遠的地方就開始相互作用，影響他們繞轉的方式。想象一下兩顆巨型磁鐵互相靠近時的情形吧！

　　當他們靠的足夠近時，磁層裏的等離子體、磁力線、輻射都會碰撞在一起，交織成一出駭人的混亂大戲。當它們靠得再近一些時，彼此的潮汐力會在中子星表面和內部掀起簡併態中子物質的巨浪。上面提到的每個過程都充滿了不確定性，並且都會影響引力波的波形。因此雙中子星合併的引力波將有可能告訴我們在宇宙最狂野的角落發生的一些前所未知的事情，從而幫助我們深入瞭解引力理論、磁流體力學和簡併態的中子超流的性質。

　　中子星內部

　　以上所提到的內容並不是高潮，因為到此時兩顆中子星還沒有碰撞在一起。如果説中子星磁場和磁層的結構人們多少可以從脈衝星的觀測中猜個大概的話，那中子星內部的物質形態就連猜也無從下手。以前人們會根據脈衝星轉動速度的變化來推測中子星內部物質的形態，這種做法就像從雞蛋的旋轉情況來估算雞蛋的蛋黃有多大，進而推測雞蛋有什麼營養成分一樣無奈。

　　而兩顆中子星碰撞的過程，將撞碎中子星的外殼，將大量的內部物質拋射出來。這個過程將伴隨着強烈的電磁波輻射，而被望遠鏡觀察到。伽馬射線暴就是其中的一種現象。

　　而併合後的兩顆中子星，有可能變成一顆不穩定的超大中子星，繼續放出引力波“餘音”；或者一下子變成黑洞，又或者是先變成中子星、隨即坍縮成黑洞。這個奇妙而神秘的過程都會被引力波忠實地實況轉播給地球的科學家們。

　　伽馬射線暴與巨新星（Macronova）

　　上個世紀60年代，美蘇爭霸正如火如荼。美國發射了 Vela 衞星來檢測蘇聯的太空核試驗。起初他們發現很多次疑似核爆的信號，後來經過仔細檢查發現這些“核爆”信號竟然來自銀河系以外。這些信號後來被稱為伽馬射線暴發。這些爆發的信號跨越數十億光年的茫茫太空被探測到，居然還能被當成是地球附近發生的核爆炸，其暴烈程度可想而知。事實上這些伽馬射線暴發是創世大爆炸以來宇宙中最猛烈的爆炸。

　　關於這些伽馬射線暴究竟是什麼，長期以來眾説紛紜。其中一種短促的類型被相信來源於兩顆中子星的碰撞。然而支持這個理論的人很難找到確鑿的證據，畢竟你無法追蹤兩顆中子星碰撞的全過程，然後看到伽馬射線暴。

　　然而這次引力波信號在伽馬射線暴發開始之前就被捕捉到了，它清晰地顯示了兩顆中子星撞在一起前的過程。隨即來自同一方向的伽馬射線暴被探測到，一個完美的證據鏈條展現在人們眼前。

　　歐南台甚大望遠鏡（VLT）拍攝到的NGC 4933星系，箭頭所示位置的光點是雙中子星併合事件的光學對應體。

　　那些被拋射出的中子星內部物質將在空間中膨脹，衰變，從而在合併發生幾小時到幾年的時間裏發射出從光學-近紅外，到射電波段的餘暉。這被稱為巨新星（Macronova，或Kilonova，千新星）。在這次的引力波事件發生後 11 小時後，在引力波的方向上，許多的望遠鏡在光學波段探測到 1.3 億光年外一個星系 （NGC 4993）的巨新星暴發。X射線望遠鏡和射電望遠鏡也分別在9天和16天后在相同的星系發現了新出現的輻射源。

　　在引力波事件GW170817爆發後，全球近百台各波段望遠鏡立即進行了跟進觀測，其中僅光學望遠鏡就有至少50餘台。這些望遠鏡分佈在南美、夏威夷、澳洲、南非等地，全天接力式的對GW170817的光學對應體進行了長達一個多月的觀測。這個動畫根據真實觀測記錄，展現了這些光學望遠鏡在12天內是如何展開國際接力觀測的：每一個氣泡代表一次觀測，氣泡的最終大小與望遠鏡口徑正相關，氣泡顏色表示所觀測的波段。其中位於南極洲的光點是由我國的南極巡天望遠鏡（AST3-2）貢獻的。製圖：劉博洋

　　宇宙學與空間維度

　　引力波源所在的星系被找到，這意味着人們可以同時知道這顆星系紅移和比較準確的距離。如果有一批這樣的樣本，我們就可以在更大的尺度上研究宇宙膨脹的規律。此外，有一些理論認為空間存在三維以外的維度，而引力波會泄漏到這額外的維度裏，從而衰減得更快。假如這一切都是真的，那麼用引力波估算出來的距離應該比用電磁波估算出來的距離更遠。對比這兩者之間的差異，人們或許可以找到額外維度存在與否的證據。

　　尾聲

　　回到位於北京石景山區玉泉路的高能物理研究所那間徹夜燈火通明的會議室。那一晚，控制指令被爭分奪秒地發送到太空中的慧眼衞星，數據源源不斷地從衞星下載到地面控制中心，科學家們興奮而緊張地處理着數據。由於這次伽馬暴的能譜非常軟且信號出乎意料的闇弱，所以慧眼並沒有能夠直接觀測到高能頻段的信號。不過，慧眼望遠鏡憑高靈敏度、大有效探測面積的強大探測性能，對這次伽馬暴在MeV能區的輻射性質給出了最嚴格的上限。這個結果對理解這個雙中子星合併產生的電磁輻射也起到了非常重要的作用，更為人類首次“看清”引力波源的面目做出了不可取代的貢獻。

　　這一夜，那一瞬的信號，讓全世界的望遠鏡指向同一個方向；讓全世界天文學家空前聯手。

　　那是一段聽得到也看得見的雙星舞蹈，是一次人類對於宇宙耳聰目明的觀察，更是一場全世界天文學家的集體盛宴。它開啓的，是一個人類認識宇宙的新紀元。（編輯：明天）

　　致謝

　　感謝中國科學院高能物理研究所劉紅薇博士，西澳大學國際射電天文研究中心博士生劉博洋對本篇文章的幫助。

　　參考文獻

　　LIGO scientific collaboration, Virgo collaboration and partner astronomy groups, 2017

　　An Overview of Gravitational waves, Theory, Sources and Detection, World Scientific Publishing, 2017.

　　ESO Telescopes Observe First Light from Gravitational Wave Source, Merging neutron stars scatter gold and platinum into space, 2017. www.eso.org/public/news/eso1733/

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　　以下為網友評論：

　　網友“乀Smile ■ ．Rogue.”：你透露的？

　　網友“edghybnn”：簡單説，之前黑洞合併望遠鏡看不到，只能間接觀察，現在這個能看到。

　　網友“ang”：徹底證實了廣義相對論。説個最遠的吧，時間旅行有了理論基礎

　　網友“切 格瓦斯”：一臉懵逼的進來，一臉懵逼的離開。