编辑 刘昭

北京时间10月16日22时，在整个天文学界因一则重磅预警“炸锅”后，吊足胃口的美国国家航空航天局(NASA)、欧洲南方天文台、南京紫金山天文台、英国科技设备委员会、法国国家科学研究中心等全球数十家科学机构终于联合宣布了重大成果：激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器于2017年8月17日首次发现了一种前所未有的新型引力波事件！

此次观测到的引力波由两个质量分别为1.15和1.6个太阳质量的双中子星并合产生，根据探测日期确定编号为GW170817，距离我们1.3亿光年。此外，在全世界众多天文学家及探测设备的协同努力之下，还发现了该引力波事件的电磁对应体。

发现同样来自于“意外”

正如我们第一次直接探测到黑洞引力波一样，此次探测到双中子星引力波也完全是一个意外。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文学家们获得了一个消息，LIGO和Virgo探测器探测到了一个持续时间为100秒左右的新引力波信号，其形式与两个中子星的并合相一致。

而在该引力波信号到达后大约1.7秒，NASA费米卫星搭载的伽玛暴监测器(GBM)和欧洲INTEGRAL望远镜搭载的SPI-ACS探测器均探测到了一个暗弱的短时标伽马射线暴，并将其命名为GRB170817A。通过比较两个信号，科学家们得出结论：这不太可能只是一个巧合。

▲引力波信号在两个LIGO 探测器的 频谱中清晰可见

如何确定引力波源位置?

LIGO首次观测到引力波存在时，我们只能大体把引力波源定位在天空中一个“大圈”上，随着欧洲Virgo引力波探测器的加入，引力波源定位的精确度得以大大提高。此次观测中，引力波信号在两个LIGO探测器的频谱中都清晰可见，但在Virgo中却不然。这恰恰是空中定位的很重要的一点。

对每个探测器而言，总有某个天空区域，来自那里的信号不容易被探测到。两个LIGO探测器中轻易可见而Virgo却观测不到的现象也意味着，此次信号来自天空中的某个位置，Virgo在那一刻刚好很难探测到那片区域。

这一事实对后续定位起到了至关重要的作用，加上费米卫星独立探测到了双中子星并合产生的伽马暴，引力波探测器给出的定位结果和费米卫星给出的定位非常吻合，GW170817被迅速定位在了大约31平方度的非常小的天区内。

▲本次引力波事件 GW170817，被定位在了大约31平方度的黄色线条区域内

全球接力天文学“盛宴”

本来平淡无奇的伽玛暴信号，因为与一个很强的引力波候选体同时存在，一下子引起了整个天文学界的观测兴趣，此天区也成为了一个热门的观测对象。在不到11个小时之内，位于智利的Swope超新星巡天(SSS)望远镜首先在星系NGC4993中观测到了明亮的光学源，初步确认为其光学对应体，编号为AT2017gfo/SSS17a。在此之后，其他几个团队分别独立探测到了该光学源，从而加以确认。

在接下来的几个星期之内，天文学家动用了世界上最为先进的一些望远镜，比如钱德拉X射线空间望远镜(Chandra X-ray Telescope)，哈勃空间望远镜，位于智利、口径达到8.4米的甚大望远镜(Very Large Telescope)，还有亚毫米波段灵敏度最高的阿塔卡马大型毫米波阵ALMA等等，对该区域开展了紧锣密鼓的观测。

▲ 欧洲南方天文台 多台望远镜记录到 的NGC 4993 星系

“目睹”双中子星并合

全球天文台的跟进观测对这一事件提供了从并合前约100秒到并合后数星期的全面描述，最终证实了科学家的很多猜想：NGC4993星系中的两个中子星并合，产生了引力波、短伽玛暴和千新星。

正如发布会提到的，这次探测到的引力波是由双中子星并合而产生的，之前公布的4例引力波事件都是由双黑洞所产生。二者之间最大的差别就在于，双中子星并合会产生电磁波辐射，而对于黑洞而言，我们通常认为不会产生。

通常而言，按照天体物理辐射的理论要求，要产生电磁辐射，天体周围必须要有气体的存在。对于黑洞系统而言，尽管在最初产生时，黑洞周围可能有很多气体，然而在漫长的演化过程当中，如果没有更多气体来源的话，在黑洞合并的最后阶段，气体已消耗完毕，所以无法产生电磁辐射，只能产生扰动时空的引力波——就像科学家前4次探测到的那样。

▲双中子星旋近，最终并合产生千新星的过程

在双中子星并合之前，周围的气体很可能也已消耗完毕。然而，并合过程当中会有部分物质以接近光速或远低于光速的速度被抛射出去，从而产生我们看到的各种电磁现象——短时标伽马射线暴(简称伽玛暴)、伽玛暴余辉和千新星。接近光速运动的物质产生了费米卫星看到的伽玛暴，而低速运动的物质产生了千新星，被很多的光学/红外望远镜捕捉到。

因为产生引力波的天体完全不同，所以我们观测到的引力波形会存在较大差别。中子星的质量相较于黑洞要小很多，并合过程中对于时空的扰动变形程度更弱，所以，在目前探测器灵敏度确定的情况下，我们只可能探测到比较临近的引力波信号。这次的引力波源距离我们1.3亿光年，是目前探测到的所有引力波源中最近的一例。通过波形的拟合，科学家们确定了两个中子星的质量分别大约是1.15和1.6个太阳质量，并合后的天体质量约为2.74个太阳质量，抛射出去的仅有0.01个太阳质量。

中国这次没有缺席

自北京时间2017年8月18日21:10起，中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第二台望远镜AST3-2对GW 170817开展了有效的观测，此次观测持续到8月28日，揭示了此次双中子星并合抛射出约1 %太阳质量的物质，这些物质以0.3 倍的光速被抛到星际空间，抛射过程中部分物质核合成，形成比铁还重的元素。来自紫金山天文台、南京大学的研究人员参与了其中的数据分析。

▲2017年6月15日11 时00分，中国在酒泉卫星发射中心采用长征四号乙运载火箭，成功发射首颗X 射线空间天文卫星“慧眼”

同时，中国第一颗空间X射线天文卫星——“慧眼”HXMT望远镜，在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区，对其伽马射线电磁对应体在高能区(MeV，百万电子伏特)的辐射性质给出了严格的限制。相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中。

金银等重金属由此产生

早先人们曾经认为重元素主要由超新星爆发产生，但后来发现超新星爆发不是一个足够有效的机制，于是双中子星并合被寄予厚望。

尽管科学家们没有看到中子星内部信息，也不知道最终的合并物是什么，但众多后续电磁观测还是告诉了我们一些之前不太确定的信息，比如甚大望远镜(VLT)的光谱观测确认了重金属(比如我们熟知的金银等元素)的来源，大多数就是在中子星并合的过程当中产生的。

两颗中子星在互相绕转的最后阶段，都在对方引力作用下发生了明显的变形。相接触的瞬间，整颗星体瓦解，大部分物质融合在一起成为了新的中心天体，还有不少物质在解体中抛向空间。这些富中子物质会形成大量富中子的不稳定同位素，会迅速衰变成质子，产生大量原子序数(即原子核中的质子数)较高的重元素，其中就包括金，并通过衰变释放出大量辐射。

▲元素起源表，黄色代表了并合中子星所产生的元素，我们常见的金银就是通过此过程产生的

并合产生的天体是什么?

双中子星并合之后，是产生了中子星，还是产生了黑洞?科学家们希望，引力波和电磁波的联合观测能够对这些问题提供一部分珍贵的答案。但很遗憾，现在依然无法确定。

因为通过引力波波形的拟合，并合后的质量约为2.74个太阳质量。从理论上说，如果一个天体的质量超过3个太阳质量，通常会被认为是黑洞。而中子星的最大允许值并不明确，如果中子星的内部由中子构成，综合考虑状态方程和转速，要想达到2.74个太阳质量不太可能。然而如果内部由其他的奇异物质(比如夸克)构成的话，在一定条件下，这个质量的天体就有一定可能性，此时这一天体应该被称为“夸克星”。不过，目前所有观测都没能给出中子星和黑洞的临界质量，当然也没能给出夸克星存在的证据。

从观测的角度而言，我们观测到的最重的中子星大约是2个太阳质量，最小质量的黑洞是5个太阳质量;在这两者之间，一片空白，还未发现任何致密天体的质量属于这个范围。所以，对于此次双中子星合并产生的2.74个太阳质量的天体，尽管我们还不能确定它到底是什么，但是这一发现填补了黑洞和中子星之间的空白，为日后更多的天文发现掀起了帷幕的一角。

已知并合后产生多少物质

虽然受限于目前引力波探测设备的灵敏度，引力波信号曲线并不是很好，对于有关内部结构的问题并没有得到解答。但是，对于部分并合之后抛出了多少物质的问题，我们已经初步有了答案。值得骄傲的是，这一答案是由一部参与观测的中国望远镜给出的。

引力波信号和电磁信号相结合，可以对宇宙学的一些最基本参数做出限制，比如用来描述宇宙膨胀快慢的哈勃常数。通过引力波的振幅比对可以推断出系统到我们的光度距离，通过电磁波段的光谱分析，我们便可以知道这一系统的红移;在给定两者的情况之下，我们便能够推算出哈勃常数的数值了。

虽然现阶段引力波给出的数值误差还很大，但可以预见的是，随着探测精度的提高(除LIGO/VIRGO之外，日本臂长为3000米的KAGRA探测器也开始测试，LIGO-India以及很多的第三代引力波探测器在计划之中)以及探测到的引力波源数目的增多，这个误差很快将得到改进。

这是人类历史上第一次同时探测到引力波及其电磁对应体，将成为引力波天文学上另外一个非常重要的里程碑。此次探测为我们解答了一些疑惑，同时也提出了更多问题，与历史上所有天文发现一样，是人类好奇心的胜利与新起点。在多信使引力波天文学时代的帷幕由此拉开之后，我们相信，在人类团结协作的力量之下，更多的宇宙奥秘将被一一揭晓。

（本文综合自天文八卦学微信公众号、中国科普博览、澎湃新闻、知识分子微信公众号等）