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  2017年的天文學(xué)盛事  

2017年8月17日，在穿越1.4億光年的距離之后，兩顆中子星并合輻射出的引力波信號(hào)終于抵達(dá)地球，并被地面上的引力波探測(cè)器記錄。這個(gè)事件被稱為GW170817，是首次發(fā)現(xiàn)由雙中子星并合輻射出的引力波。

雙中子星并合。（圖／University of Warwick/Mark Garlick）

就在探測(cè)到引力波的1.7秒后，NASA的費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡在同一源頭探測(cè)到了伽瑪射線暴，這是首次探測(cè)到引力波的電磁對(duì)應(yīng)體。之后，世界各地的天文學(xué)家利用地面和空間共70個(gè)天文臺(tái)對(duì)這一事件進(jìn)行了觀測(cè)，并且都探測(cè)到了相應(yīng)的電磁波（包括伽馬射線、X射線、可見光和射電波）信號(hào)。毫無(wú)疑問(wèn)，這是天文學(xué)界前所未有的一場(chǎng)盛事。

幾年過(guò)去了，天文學(xué)家仍然在分析數(shù)據(jù)，試圖描繪出有關(guān)這次并合事件的完整畫面。在一項(xiàng)最新發(fā)表在《自然》雜志的研究中，天文學(xué)家結(jié)合了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、蓋亞衛(wèi)星，以及多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，以極高的精度測(cè)量了雙中子星并合產(chǎn)生的離奇的“超光速”運(yùn)動(dòng)。

  離奇的超光速運(yùn)動(dòng)  

GW170817所釋放的能量與超新星爆發(fā)相當(dāng)，這使得天文學(xué)家推斷雙中子星最終應(yīng)該坍縮形成了一個(gè)黑洞。這一推測(cè)與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果相吻合。

當(dāng)黑洞形成后，其強(qiáng)大的引力開始吸引周邊的物質(zhì)。這些物質(zhì)形成一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的吸積盤盤，并產(chǎn)生了從兩極向外噴射的噴流。高速運(yùn)行的噴流撞擊到這對(duì)已被摧毀的中子星周圍的物質(zhì)上。

雙中子星碰撞的藝術(shù)構(gòu)想圖。碰撞爆發(fā)出了相當(dāng)于超新星爆發(fā)的能量，在碰撞的余輝中，一股能量束以接近光速的速度被噴射出來(lái)。（圖／Elizabeth Wheatley, STScl）

天文學(xué)家利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡來(lái)測(cè)量被噴流撞擊的物質(zhì)團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴流從爆炸源飛馳而出時(shí)，物質(zhì)團(tuán)會(huì)向外移動(dòng)，就像一片葉子會(huì)卷入花園軟管噴出的水流之中一樣。

想要測(cè)量這個(gè)物質(zhì)團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要結(jié)合從哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡收集到的精度極高的測(cè)量結(jié)果才能做到。令人驚訝的是，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量結(jié)果顯示，噴流以光速的7倍的視速度運(yùn)動(dòng)；射電觀測(cè)結(jié)果顯示，噴流的視速度后來(lái)似乎減慢到了光速的4倍。

無(wú)論是7倍光速還是4倍光速，可以肯定的是，這種“超光速”是一種光學(xué)錯(cuò)覺！在現(xiàn)實(shí)中，沒有任何東西的速度能超過(guò)光速。這種罕見到令人難以置信的現(xiàn)象，被稱為視超光速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粒子以非常接近光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。

在中子星并合之后，最初爆炸產(chǎn)生的噴出物會(huì)在并合形成的黑洞周圍形成一個(gè)殼。從圍繞黑洞的吸積盤中噴出的物質(zhì)噴流，首先會(huì)與噴出物發(fā)生相互作用，形成一個(gè)寬闊的“繭”。在這之后，噴出物會(huì)“破繭而出”，以極高的速度進(jìn)入星際空間。（圖／Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF）

視超光速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的原因是噴流以接近光速的速度飛行，并且與我們的視線存在一個(gè)小的角度。由于噴流的移動(dòng)速度接近光速，所以當(dāng)噴流中的粒子發(fā)出一點(diǎn)光時(shí)，粒子不會(huì)落后于它發(fā)出的光太遠(yuǎn)。當(dāng)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間，粒子再次發(fā)出一些光時(shí)，它會(huì)與第一次發(fā)出的光非常接近。當(dāng)光抵達(dá)我們的視線時(shí)，粒子就會(huì)顯得比光移動(dòng)得快。

其實(shí)，天文學(xué)家之前已經(jīng)在其他宇宙天體中觀察到這種錯(cuò)覺，包括從M87星系中噴出的接近光速的噴流。到目前為止，所有的超光速運(yùn)動(dòng)都可以用數(shù)學(xué)來(lái)解釋，并不會(huì)違背已知的物理定律。

  光速的99.97%  

幾年后的今天，在綜合從哈勃望遠(yuǎn)鏡和其他望遠(yuǎn)鏡收集到的數(shù)據(jù)后，天文學(xué)家終于描繪出了這次碰撞產(chǎn)生的噴流的完整畫面。在新論文中，他們計(jì)算出，這些噴流在發(fā)射時(shí)，是以至少是光速的99.97%（0.7億千米/小時(shí)）的速度穿過(guò)太空的。

這樣的結(jié)果不僅為相對(duì)論噴流的存在提供了證據(jù)，也為天文學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為的，中子星并合和短伽馬射線暴之間的聯(lián)系提供了證據(jù)?？梢哉f(shuō)，這項(xiàng)工作是正在進(jìn)行的對(duì)這些異常碰撞的研究的一個(gè)重要分水嶺，也是時(shí)域和多信使天體物理學(xué)這一新興領(lǐng)域的重大突破，它為更精確地研究中子星并合鋪平了道路。

在未來(lái)的幾年，當(dāng)擁有足夠大的樣本時(shí)，相對(duì)論噴流觀測(cè)就可能會(huì)為測(cè)量哈勃常數(shù)（與宇宙膨脹率有關(guān)）提供另一種途徑。目前，哈勃常數(shù)對(duì)早期宇宙和鄰近宇宙的估計(jì)值之間存在差異——這是當(dāng)今天體物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。更多關(guān)于相對(duì)論噴流的見解，將有望為試圖解決這個(gè)難題的天文學(xué)家提供更多的信息。