藝術(shù)家關(guān)于兩個并合中的中子星的想象。窄束代表著伽馬暴，而扭曲的時空網(wǎng)格標(biāo)志著由并合產(chǎn)生的各向同性的引力波。旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)團(tuán)塊是從并合的雙星中拋射出的物質(zhì)，可能導(dǎo)致了較低能量的電磁信號源。（來源：國家科學(xué)基金會/LIGO/索諾馬州立大學(xué)/A. Simonnet

隨著科學(xué)家宣布首次直接探測到了來自雙中子星并合的引力波后，10月17日，清華大學(xué)信息技術(shù)研究院LIGO科學(xué)合作組織工作組發(fā)布最新引力波探測和研究成果。

清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織負(fù)責(zé)人曹軍威向《中國科學(xué)報(bào)》記者介紹：“這標(biāo)志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺和其他望遠(yuǎn)鏡同時觀測到了同一個天體物理事件，這次發(fā)現(xiàn)打開了等待已久的多信使天文學(xué)的新窗口，引力波天文學(xué)為理解中子星的性質(zhì)提供了電磁天文學(xué)單獨(dú)所不能實(shí)現(xiàn)的新機(jī)會。”

此次LIGO-Virgo的結(jié)果發(fā)表在《物理評論快訊》期刊上，由LIGO-Virgo和其他天文學(xué)家合作撰寫的系列相關(guān)論文也已經(jīng)被《天體物理雜志快訊》和《自然》接受。

發(fā)現(xiàn)雙中子星系統(tǒng)

中子星是目前已知的最小、最致密的恒星，是大質(zhì)量恒星在演化的最后階段經(jīng)過超新星爆發(fā)形成的。中子星直徑約20千米，極其致密，一小勺中子星物質(zhì)的質(zhì)量可達(dá)10億噸。

雙中子星為廣義相對論提供了極強(qiáng)的觀測檢驗(yàn)，包括支持引力波存在的第一個堅(jiān)定證據(jù)。在LIGO發(fā)展的早期，雙中子星并合被認(rèn)為是引力波觀測的首要目標(biāo)。

清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織成員范錫龍表示，LIGO的數(shù)據(jù)表明兩個距離地球1.3億光年的天體相互旋進(jìn)，并且這個天體系統(tǒng)的質(zhì)量沒有雙黑洞大。相反，這兩個相互旋進(jìn)的天體的質(zhì)量估計(jì)為1.1～1.6倍太陽質(zhì)量，恰好是中子星的質(zhì)量范圍。對于噪音背景的分析顯示，這種強(qiáng)度的信號是由一致性隨機(jī)噪音產(chǎn)生的，概率低于每8萬年一次。

雙中子星系統(tǒng)可以通過萬有引力作用相互吸引和旋進(jìn)，并發(fā)出引力波，在最終并合前的100秒以內(nèi)發(fā)出的引力波信號正好位于激光干涉儀的靈敏頻段內(nèi)，因此有機(jī)會被觀測到。

同時，中子星并合以后還會發(fā)出伽馬光子，該信號在引力波到達(dá)地球2秒鐘之后也被觀測到。在其后的數(shù)天和數(shù)星期內(nèi)，這場壯麗的并合事件仍會繼續(xù)發(fā)出其他頻段的光，或者說電磁信號——包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波。

觀測引力波信號GW170817

2017年8月17日晚上8時41分（北京時間），一個被命名為GW170817的引力波信號被觀測到。這次觀測由兩個相同的激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測器完成，位于意大利比薩附近的室女座干涉儀（Virgo）探測器提供的信息可以提升引力波事件的空間定位能力。

來自英國格拉斯哥大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織的Ik Siong Heng解釋道：“對每個探測器而言，總有某個天空區(qū)域，來自那里的信號不容易被探測到。由于這個信號在兩個LIGO探測器中輕易可見，但Virgo卻觀測不到，這意味著信號來自天空中的某個位置，這一事實(shí)對于定位起到了至關(guān)重要的作用。”

據(jù)了解，LIGO和Virgo探測到4次來自雙黑洞的引力波信號，在LIGO探測器的敏感頻段內(nèi)只能持續(xù)不到一秒的時間。然而，GW170817持續(xù)了100秒，并且掃過了LIGO的整個靈敏頻段——這個頻段與一個普通樂器能產(chǎn)生的聲波頻段幾乎相同，科學(xué)家們可以識別這個天體源的質(zhì)量遠(yuǎn)比迄今觀測到的所有黑洞的質(zhì)量都要小得多。

Ik Siong Heng說：“在GW170817的信號中，在兩星并合前的大約100秒，它們相距400公里，卻在每秒內(nèi)繞了12圈。每轉(zhuǎn)一圈，引力波的輻射迫使它們越發(fā)接近。隨著軌道的收縮，它們速度越來越快，引力波的強(qiáng)度和頻率也不斷增加。軌道的逐漸收縮過程被稱為‘旋近’，而頻率的提升被稱作‘啁啾’信號。這一過程逐漸加快直到雙星并合而形成單個遺跡。”

打開多信使天文學(xué)新窗口

在引力波網(wǎng)絡(luò)觀測到GW170817信號后的1.7秒，命名為GRB170817A的伽馬射線暴被費(fèi)米伽馬射線爆監(jiān)視系統(tǒng)探測到。LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)的快速引力波探測分析，以及費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的伽馬暴探測，啟動了世界范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡后繼觀測。

來自法國LAL Orsay Virgo合作組織的Sarah Antier說：“這是有史以來人類第一次同時觀測到來自同一個天文文事件的引力波與電磁波，這展示了聯(lián)合著引力波、電磁波和中微子的不同研究團(tuán)隊(duì)之間的合作的重要性，也標(biāo)志著多信使天文學(xué)與時域天文學(xué)新時代的到來。”

在最初探測之后的幾分鐘內(nèi)，全世界各地的望遠(yuǎn)鏡就開始了忙碌的觀測，其中不乏活躍的“中國背影”。我國第一顆空間硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡“慧眼”在引力波事件發(fā)生時成功監(jiān)測了引力波源所在的天區(qū)，中國第二臺南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2探測到此次引力波事件的光學(xué)信號。

而清華大學(xué)信息技術(shù)研究院LIGO科學(xué)合作組織工作組自2009年成為LIGO科學(xué)合作組織正式成員，參與了迄今為止的所有引力波發(fā)現(xiàn)并作出貢獻(xiàn)，工作組近兩年來在引力波實(shí)時在線數(shù)據(jù)處理和多信使天文學(xué)方面開展了算法設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化與軟件開發(fā)等方面的工作。

曹軍威說：“當(dāng)前對于GW170817仍存在的兩個最大的疑問。相關(guān)的電磁信號顯示，雙星系統(tǒng)中的至少一個物體是中子星，但并不表示兩個都是，因此GW170817也有可能是一個中子星黑洞系統(tǒng)。然而，鑒于與已知中子星的質(zhì)量相類似，我們?nèi)匀黄�向這是雙中子星系統(tǒng)的解釋。另一個未解答的問題是GW170817并合之后變成了什么，有兩種可能性：一種是變成已知最大的中子星，另一種是變成已知質(zhì)量最小的黑洞，這些可能性都很誘人，這將會讓我們繼續(xù)開展研究。”