又見引力波 時空起漣漪
這一次，我們看見了引力波源頭
迄今為止，已知的引力波源區域在天空的分佈圖。有了Virgo的幫助，定位引力波源頭的精準度更高。圖片來自LIGO官網
雙中子星併合後發出短伽馬暴和巨新星輻射的示意圖。
編者按 引力波，是由黑洞、中子星等碰撞產生的一種時空漣漪，宛如石頭丟進水裡產生的波紋。百年前，愛因斯坦廣義相對論預言了引力波的存在，但直到2015年人類才首次探測到引力波。透過引力波，人們有可能瞭解宇宙早期的樣貌。此次，人類第5次探測到引力波，並首次觀測到引力波電磁對應體，這將開啟引力波天文學的新時代。
本報記者 徐 玢
傳言終獲證實。北京時間10月16日22時，鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)和處女座(Virgo)引力波探測器合作組織聯合召開發佈會，宣佈再次探測到時空的漣漪。
這是人類第5次探測到引力波。然而，科學界的興奮之情甚至不亞於第一次探測到引力波的時候。因為與之前4個訊號不同，這次探測到的引力波訊號GW170817來自1.3億光年外兩顆併合的中子星，而且是全球多地科學家第一次同時觀測到引力波與其電磁對應體。
迄今最強的引力波訊號
“這是我們迄今觀測到強度最強的引力波訊號，比第一次觀測到的雙黑洞引力波訊號要強得多。”LIGO科學合作組織爆發源分析組聯席主席、英國格拉斯哥大學教授、北京師範大學特聘外國專家Ik Siong Heng表示，它與之前的雙黑洞繞轉產生的引力波訊號非常類似，但持續時間更長。“探測器中GW170817訊號持續時間超過1分鐘，之前的雙黑洞併合引力波訊號只有1秒左右。”
8月17日，LIGO與Virgo的三臺探測器先後接收到引力波訊號GW170817。在探測到引力波訊號GW170817後的1.7秒，美國國家航空航天局(NASA)的費米衛星探測到了一個伽馬射線暴GRB170817A。在之後不到11個小時內，位於智利的Swope望遠鏡報告在長蛇座星系NGC4993中觀測到明亮的光學源。在接下來的幾周裡，無數望遠鏡將目光對準這片天區，記錄下這一事件發生之前100秒至之後幾周的訊號。
根據這些記錄，科學家復原出故事發生的過程：在距離地球1.3億光年的長蛇座星系NGC4993中，兩顆中子星互相繞轉。在併合前約100秒時，它們相距400公里，每秒鐘互相繞轉12圈，並向外輻射引力波。它們越轉越近，直至最終碰撞在一起，形成新的天體，併發出電磁輻射。
中子星是恆星演化末期形成的一類緻密天體。雖然它的半徑只有十幾公里，質量卻與太陽相當。中子星到底有多硬？其內部物質以何種狀態存在？這些一直是科學家感興趣的問題。
根據觀測到的引力波訊號，科學家估算出兩顆中子星的質量、半徑，並對其密度給出了保守的估計，幫助排除了那些對於中子星密度估計過低的理論模型。“引力波訊號GW170817的演變，尤其是接近併合階段的訊號演變，受到中子星自身性質的影響。如果中子星更緻密一點，或者更稀鬆一點，引力波的訊號都會不同。”Ik Siong Heng說。
期待中的電磁對應體
“這個結果來得太快，本以為要在2020年左右才能觀測到第一例雙中子星併合。”中科院紫金山天文臺研究員吳雪峰在接受科技日報記者採訪時難掩興奮。
與雙黑洞併合不同，雙中子星併合過程不僅向外輻射出引力波，還會在多個波段發出電磁輻射，從而被望遠鏡觀測到。那些在發出引力波同時，又被望遠鏡觀測到的天體被稱為引力波的電磁對應體。
天文學家為何對引力波的電磁對應體如此感興趣？“引力波都是一次性的，無法重複觀測。其電磁對應體則不是這樣。”北京師範大學天文學系副教授高鶴解釋說，“此外引力波訊號自身存在一定缺陷，比如訊號十分微弱，訊號源的定位誤差非常大，僅僅利用引力波探測無法確認訊號來自哪裡。” 高鶴說，只有實現了引力波與電磁波的聯合探測，才可以證認引力波源的天體物理起源，並對其天體物理性質開展進一步的研究。
在8月17日探測到的併合中，科學家尚不清楚，最終是形成了更大質量的中子星，還是黑洞。但已知的是，新天體約為2.74倍太陽質量，而在這個過程中損失的質量，主要轉化成引力波和電磁波，輻射向宇宙各個方向。
發現金銀等元素誕生地
科學家對這次觀測興奮不已，還因為觀測將雙中子星併合與短伽馬射線暴直接聯絡在一起，並首次觀測到巨新星現象，讓科學家能夠深入瞭解雙中子星併合的物理過程。
所謂伽馬射線暴，是天空中某一個方向伽馬射線輻射突然增亮的現象。根據伽馬射線暴時間長於或短於2秒，可分為長暴與短暴。科學家認為，短伽馬射線暴源自雙中子星併合或中子星與黑洞併合，但一直沒有找到直接觀測證據。
巨新星則是1998年北京大學教授李立新(當時為普林斯頓大學博士生)與普林斯頓大學已故教授Bodhan Paczynski合作提出的構想。“雙中子星併合時向外拋射的物質會透過快中子過程形成金、銀等重元素，並形成光學和近紅外輻射。”李立新說，這些輻射現象比超新星的亮度暗100倍，被稱為巨新星或千新星。
在此次觀測中，科學家捕獲了引力波訊號、短伽馬射線暴訊號以及光學訊號。後續分析證明這些訊號互相關聯，均來自雙中子星併合。我國在南極大陸安裝的南極巡天望遠鏡AST3也捕獲了併合的光學訊號。
“有多名學者對巨新星理論進行過完善，這次的觀測結果非常吻合完善後的理論構想。”李立新說。
“8月份，南極的冬天剛剛過去，目標天體的地平高度較低，每天有2個小時左右的觀測時間。8月18日起，我們進行了10天的觀測，獲得了目標天體的91幅影象，並最終得到目標天體的光變曲線，與巨新星理論預測高度吻合。”吳雪峰表示。2013年以來，科學家已經發現多個巨新星候選體，此次是首次直接觀測到巨新星。
“理論上所有雙中子星併合都會形成巨新星。但通常它們比較闇弱，因此能不能看到取決於它們與我們的距離。”李立新說，幸運的是，這兩顆中子星離我們並不遙遠。
檢驗宇宙規律的新信使
引力波與電磁波攜帶著天體不同型別的資訊。引力波及其電磁對應體的發現，有助於科學家結合不同資訊研究天體的性質，並檢驗宇宙的基本規律。
例如哈勃常數，它是衡量宇宙膨脹速度的重要引數。目前，可透過測量Ia型超新星、重子聲波震盪、宇宙微波背景等多種方式得到其數值。然而，隨著探測精度的提高，測量值的分歧越來越明顯。例如透過測量臨近Ia型超新星得到的哈勃常數數值，明顯大於普朗克太空衛星透過宇宙微波背景觀測得到的哈勃常數數值。引力波及其電磁對應體的發現，將提供測量哈勃常數的獨立渠道。“可以透過引力波波形得出波源的距離，由電磁波對應體提供紅移資訊，根據距離紅移關係測量哈勃常數。”北京師範大學天文系教授朱宗宏說。
在最新的觀測中，LIGO科學合作組織進行了這個嘗試，得出的哈勃常數數值為70公里/(秒・百萬秒差距)。“由於測量過程需要用到引力波的波形資訊，目前這一測量並不準確。”朱宗宏說，“未來結合引力透鏡方法，有望將哈勃常數的誤差限制在1%之內，這個精度遠高於光學波段的測量精度。”
(科技日報北京10月16日電)