引力波的直接探測已經(jīng)拿下了2017年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，讀者可閱讀《跨越時(shí)空的相遇》進(jìn)一步了解引力波。今天所宣布的重大發(fā)現(xiàn)依舊和引力波相關(guān)，但多了幾個(gè)關(guān)鍵詞：“1.3億光年外”、“中子星并合”、“電磁對應(yīng)體”。這一次的發(fā)布會，可以說是天文界的一次前所未有的狂歡宴，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)第一次：
第一次發(fā)現(xiàn)雙中子星并合輻射出的引力波；
第一次定位引力波的來源；
第一次將引力波天文學(xué)和傳統(tǒng)天文學(xué)結(jié)合。
○ 三個(gè)引力波天文臺+遍布全世界及太空的70個(gè)傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡都指向了同一個(gè)目標(biāo)。 | 圖片來源： LIGO
此次，除了LIGO/VIRGO（激光干涉/室女座引力波天文臺）外，地面和空間共70臺望遠(yuǎn)鏡都觀測到了對應(yīng)的電磁波信號。此次的發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下：
中子星-中子星并合輻射出的引力波（GW170817）；
雙中子星并合產(chǎn)生的短伽瑪射線爆（GRB170817A）；
發(fā)現(xiàn)了重元素形成的秘密，并確認(rèn)了一個(gè)千新星事件（SSS17a）。
2012年，科學(xué)家在粒子加速器中首次發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型填補(bǔ)了最后一塊拼圖。而在不久后的2015年，物理學(xué)就再次迎來了一次巔峰，激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次直接探測到了100年前就被愛因斯坦預(yù)言存在的引力波。當(dāng)物理學(xué)籠罩在“零結(jié)果”的陰影之下時(shí)（比如對暗物質(zhì)的搜尋一無所獲等），引力波的進(jìn)展卻一次又一次給予我們許多的驚喜。
在這次的盛大發(fā)布之前，LIGO已經(jīng)四次探測到來自數(shù)億光年外的雙黑洞并合輻射出的引力波事件。然而，可能誰也未曾想到，這第五次期盼已久的引力波事件來的如此之快，伴隨著它一起出現(xiàn)的天文現(xiàn)象，對天文學(xué)家而言更是意外卻意料之中的驚喜。
○ 圖片顯示了兩顆相互旋繞的中子星。 | 圖片來源： LIGO
我先用一段話總結(jié)此次的發(fā)現(xiàn)，再進(jìn)一步的探討此次發(fā)現(xiàn)的意義：
“大約在1.3億光年外的NGC4993星系中，兩顆不期而遇的中子星繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)，并在互相旋繞的過程中不斷地輻射出引力波。由于引力波會帶走能量，使雙星的軌道慢慢縮小，公轉(zhuǎn)周期也逐漸縮短。經(jīng)歷了約數(shù)億年的時(shí)間，它們最終相擁在一起，并釋放出更加猛烈的引力波。但故事并沒有結(jié)束。雙中子星并合后隨即產(chǎn)生的便是困擾天文學(xué)家已久的短伽瑪射線暴，而在接下來的幾天到幾個(gè)星期內(nèi)，其它伴隨的現(xiàn)象陸續(xù)釋放了各種電磁波輻射，包括X-射線，紫外線、可見光、紅外線和射電波。經(jīng)歷了漫長歲月的光速傳播，此次事件釋放的引力波和電磁波信號陸續(xù)抵達(dá)地球，被地球上的三臺引力波天文臺以及地面和太空共70臺望遠(yuǎn)鏡探測到?！?/span>
○ NGC4993星系，距離地球1.3億光年遠(yuǎn)，過去曾多次被拍攝過。在引力波被探測到之后，我們發(fā)現(xiàn)了雙中子星并合的電磁對應(yīng)體。 | 圖片來源： LIGO
沒錯(cuò)，與前四次的引力波事件不同的是：這次的引力波來自雙中子星的并合！（中子星是恒星演化的最后產(chǎn)物之一，非常致密，一茶勺的中子星物質(zhì)就有數(shù)億噸重。）相比雙黑洞并合，雙中子星并合帶來了更加豐富的內(nèi)容。它們之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在三方面：
中子星的質(zhì)量更低（此次事件的中子星質(zhì)量為1.1-1.6倍的太陽質(zhì)量），但更大（直徑約為20公里），因此它們輻射出的引力波信號的振幅也更低，但持續(xù)時(shí)間更久。前幾次雙黑洞并合發(fā)出的“啾鳴聲”持續(xù)的時(shí)間都不到一秒，而這次雙中子星并合卻持續(xù)了約100秒；
同時(shí)，以目前 LIGO/VIRGO 的靈敏度，這也意味著雙中子星并合發(fā)生的距離要比雙黑洞并合近的多。而這次，所有的來源都指向了距離地球1.3億光年外的NGC4993星系中！
最后，不同于黑洞并合，我們也發(fā)現(xiàn)了雙中子星并合的“電磁對應(yīng)體”，即短伽瑪射線暴！
○ 兩顆中子星相互旋繞，最終并合在一起，產(chǎn)生了非常特定的引力波信號。在并合的過程中也產(chǎn)生可被觀測的電磁波。 | 圖片來源： NASA
這次的發(fā)現(xiàn)，回答了長久以來一直困擾著天文學(xué)家的一些問題：
1. 元素周期表中的重元素從何而來？
也許你會認(rèn)為中子星對撞似乎跟我們沒有半毛錢關(guān)系，但其實(shí)是息息相關(guān)。在我們看到元素周期表時(shí)，也許你會好奇，那些重元素究竟是如何制造出來的？許多人會認(rèn)為答案是來自超新星，因?yàn)檫@是你們從天文學(xué)家口中常聽到的故事。但超新星只是故事的一部分，元素周期表中大部分最重的元素，比如金、銀、鉑、鎢、鉛、鈾等，事實(shí)上都來自中子星對撞事件。也就意味著，你身上可能戴著的金戒指就是來自數(shù)億年前發(fā)生的此類事件中誕生的。這是中子星并合事件帶給我們的最直接意義。
○ 恒星殘骸的質(zhì)量可以用不同的方法測量。這張圖顯示了通過電磁波探測到的黑洞質(zhì)量（紫色）；通過引力波探測的黑洞質(zhì)量（藍(lán)色）；通過電磁波探測到的中子星質(zhì)量（黃色）；通過中子星合并測量中子星的質(zhì)量（橙色）。 | 圖片來源： LIGO/VIRGO
2. 并合的中子星真的會制造“短伽瑪射線暴”和“千新星“嗎？
在雙中子星并合之后，大部分質(zhì)量會直接融入到最終形成的致密天體（此次并合事件的最終產(chǎn)物并沒有被分類為過去認(rèn)為的黑洞或中子星，而是標(biāo)為未分類），但有一小部分的物質(zhì)被拋射出去。其中拋出去的一部分物質(zhì)會在黑洞周圍形成一個(gè)“黑洞-吸積盤”系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)會在黑洞旋轉(zhuǎn)的方向向外噴射物質(zhì)，產(chǎn)生高度相對論性的噴流。噴流內(nèi)部會形成能量極高但持續(xù)時(shí)間不到兩秒的短伽瑪射線暴。但是，伽瑪射線暴具有高度的方向性，只有當(dāng)它指向地球時(shí)才能被看到，這是小概率事件。
2017年8月17日，在觀測到引力波之后的1.7秒，NASA的費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡在NGC4993星系內(nèi)探測到了一個(gè)持續(xù)時(shí)間為2秒的短伽瑪射線暴。這是人類首次探測到引力波的電磁對應(yīng)體。過去我們一直不確定究竟是什么導(dǎo)致了短伽瑪射線暴的產(chǎn)生，但現(xiàn)在我們可以確定它們就誕生于雙中子星并合后的一瞬間，解決了天體物理學(xué)中長久以來懸而未決的難題。
○ 雙中子星并合過程中的物質(zhì)拋射和噴流（模擬）。 |
○ 雙中子星并合過程中的物質(zhì)拋射和噴流（模擬）。 | 圖片來源： NASA
