2017-10-16 23:29 |文匯教育
剛獲得了今年的諾貝爾物理學獎，引力波又有大新聞來了！
就在剛剛，美國LIGO（雷射幹涉儀引力波天文臺）組織、中國科學院紫金山天文臺、歐洲南方天文臺等全球幾十家天文機構幾乎同時召開新聞發布會，宣布一項重大發現——雙中子星併合。這次，人類不僅探測到了引力波，還在紅外、可見光、射電等多個電磁波段獲得了豐富的信息。英國《自然》和《自然-天文學》在線發表了7篇論文，報告了這一天文現象帶來的各種新發現。
如果說，過去百年的現代天文學發展歷程，人類主要通過電磁波在「看」宇宙，而2015年人類探測到引力波，是第一次「聽」到了宇宙的聲音，那麼這次就是人類首次同時「眼」「耳」並用，觀測一個天文現象，並且在天文學上第一次看到一個天文現象同時發出「引力波」和「電磁波」，還清楚知道天體「源」。
這次，中國科學院紫金山天文臺通過建在DOME A的南極巡天望遠鏡，獲得了紅色可見光和近紅外的數據信息，為這次在線發表的七篇論文中的兩篇作出了貢獻。
▲中子星（neutron star）是恆星演化到末期，經由重力崩潰發生超新星爆炸之後，可能成為的少數終點之一，質量沒有達到可以形成黑洞的恆星在壽命終結時塌縮形成的一種介於白矮星和黑洞之間的星體，其密度比地球上任何物質密度大相當多倍。
期盼中的雙中子星併合出現了
自從2015年9月14日起，人類共探測到了四次引力波事件，都是黑洞與黑洞併合的天文事件。「通常認為黑洞的併合是不發光的。」中科院紫金山天文臺研究員韋大明介紹，黑洞周圍的物質很少，而電磁波的產生需要物質，所以黑洞併合一般不會產生電磁波，從人類觀測角度來看，也就是「不發光」。這意味著，黑洞與黑洞併合，除了引力波，天文學家沒有其他手段可以獲得更多信息。
▲黑洞視界
所以，自打引力波發現之後，科學家就一直期盼著兩顆中子星併合的事件出現。因為雙中子星併合時，會向外拋射大量物質，從最初的伽瑪暴，到接下來綿延約十天的餘輝輻射，它輻射出的電磁波，幾乎可以覆蓋所有波段。而地球上，近百年來，人類已經造了好多採集電磁波信號的望遠鏡，可以收集到豐富的信息。
果然，就在LIGO和義大利的引力波觀測儀Virgo即將結束觀測季，進入「閉關」進一步提高精度的前夕，它們又發現了一起引力波事件，而且有光學對應體，並給出了大致方位——NGC 4993星系，這是一個位於水蛇座的星系，距離地球1.3億光年。
這是否就是期盼已久的雙中子星併合？8月17日，美國費米望遠鏡的伽瑪暴監測器在這個方位發現了一個短時標的伽瑪暴事件，並給出了較精確定位。這將全世界的大望遠鏡都引向了這個天區——根據理論模型，發生時間短於2秒的伽瑪暴，起源於雙中子星或中子星與黑洞的併合。超過2秒的伽瑪暴則是大質量恆星的「葬禮煙花」。
接下來的十幾天，錢德拉X射線望遠鏡、哈勃望遠鏡、歐洲南方天文臺甚大望遠鏡、阿塔卡馬大型毫米亞毫米波陣列，以及中國建在南極的南極巡天望遠鏡，都紛紛進行了觀測。於是，才有了今天全球幾十家天文機構競相宣布各自觀測結果的盛況。
▲錢德拉X射線望遠鏡
今年8月17日，美國的雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)和義大利的處女座幹涉儀在4000萬秒差距（1.3億光年）之外的NGC 4993星系內，探測到了兩顆中子星的併合，此次事件被命名為GW170817。該事件產生了引力波和電磁輻射，在該事件兩秒後發生了一次伽瑪射線暴。
根據《自然》發表的五篇論文以及《自然-天文學》發表的一篇論文，在GW170817事件中，還產生了伽瑪射線、X射線、可見光和紅外光。這些論文揭示了該事件的特徵，包括顏色（先藍後變紅）和幾何特徵。
論文所報告的輻射特徵印證了長期以來的一種預測：雙中子星合併會噴射輻射物質——低亮度爆發事件「千新星」的一部分。上述研究還表明，中子星合併是宇宙中部分超鐵元素的主要來源。其中一篇論文報告稱對一束高速物質噴流的觀測可能離軸，這或有助於解釋為什麼伽瑪射線暴通常看上去比較暗。
在另一篇《自然》論文中，作者利用GW170817的特性測量了哈勃常數——一種用於描述宇宙擴張的測量單位。作者使用宿主星系距離計算出的哈勃常數約為70 km/每秒/百萬秒差距，與之前的預估值一致。
在相應的新聞與觀點文章中，相關專家總結道：「GW170817為人類提供了一個難得的機會來推動物理學和天體物理學多個領域的進步。」
多信使天文學時代即將到來
雙中子星併合，為何會讓天文學家如此熱血沸騰？韋大明說，因為它的科學意義實在太重大了。
▲伽瑪暴是來自天空中某一方向的伽馬射線強度在短時間內突然增強，隨後又迅速減弱的現象
首先，短時標伽瑪暴起源於雙中子星併合事件，一直只存在於理論預測中，從來沒有成功觀測到過。所以，這次其實進行了一次驗證，與理論預測相當符合。「理論還預測了中子星與黑洞的併合，但目前還沒有發現。」韋大明說，這次事件與理論的符合，給了天文學家更多信心。
第二，這也是對宇宙中超重元素來源的一次很好的探索。「因為在這次併合事件後，我們看到了千新星的出現。」韋大明解釋，在宇宙中，氫、氦等輕元素產生於宇宙大爆炸，但在恆星中，通過核聚變反應，最多只能得到鐵元素。原子量更大的超重元素，比如金、銀等，究竟如何產生？這是目前科學界的一個重大問題。天文學家曾從理論上推測雙中子星併合事件可能是產生這些超重元素的重要場所。
1998年，普林斯頓大學的李立新(現為北京大學教授)與玻丹·帕琴斯基教授提出了雙中子星併合能夠產生千新星的理論模型——兩顆中子星併合，會拋出大量富含中子的物質，它們能夠通過快中子俘獲過程形成超重元素。「由於這些元素不穩定，會不斷衰變而加熱拋射物，使其產生可見光、紅外波段的電磁輻射。」他說，這次觀測到的千新星，行為特點與理論預測相當合拍，「解決這個科學問題，有了一線曙光。」
▲中子星的合併過程會甩出一部分物質，這部分物質會產生極其豐富的物理現象
不過，更讓天文學家興奮的是，這意味著人類向多信使天文學時代又邁進了一步。引力波打開了人類觀測宇宙的新通道，而近幾十年來，電磁波、中微子、宇宙線……人類認識宇宙的線索越來越多，同一個天文事件可以從不同角度獲得研究的信息。「仿佛盲人摸象，我們摸到的部位越來越多。」韋大明說，相信人類對宇宙的了解會越來越深入。
南極巡天望遠鏡建立功勳
由於這次併合事件發生在南天區，所以北半球的很多望遠鏡都無功而返，包括上海的天馬望遠鏡。這次中國天文機構唯一獲得的數據來自中國南極崑崙站天文臺的南極巡天望遠鏡。
▲南極巡天望遠鏡
這座於2009年建成的天文臺，位於南極內陸最高點DOME A，海拔4093米。 這裡是天空視角最大的地點，全年有135天的連續全黑夜，也是目前地球上能夠連續觀測時間最長的站點。「這真是一次難得的機會，差點就觀測不到。」中科院紫金山天文臺一位參與南極觀測的專家透露，因為事件發生在8月中旬，已臨近南極極夜的尾聲，「等極晝來臨，就什麼都看不到了」。
而且，這次併合事件所處的天區，其實已經超出了南極巡天望遠鏡的觀測範圍，科學家修改了一些軟體設置，才獲得了觀測的成功。目前所獲得的數據與國際同行得到的結果一致。
這次，中國科學家的身影再次出現在這一重大的前沿科學發現中，也是我國長期對基礎科研投入的價值的一次體現。
自北京時間2017年8月18日21:10起（即距離此次引力波事件發生24小時後），中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極崑崙站運行的第2臺望遠鏡AST3-2對GW 170817開展了有效的觀測，此次觀測持續到8月28日，期間獲得了大量的重要數據，並探測到此次引力波事件的光學信號。
這些數據和全球其他天文臺的觀測結果一起揭示了此次雙中子星併合拋射出1 %量級太陽質量（超過3000 個地球質量）的物質，這些物質以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質發生核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波光學對應體的發現，證實了雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。
（原標題《人類首次同時「眼」「耳」並用，觀測到了雙中子星併合！全球幾十家天文機構都不淡定了！》，編輯任斌）
1508167764000