剛剛，LIGO聯合全球天文研究機構共同發佈了一個前所未有的大新聞！

時間＼2017-10-16

北京時間10月16日22點，LIGO（鐳射干涉引力波天文臺）、VIRGO（“處☆禁☆女座”引力波探測器）聯合全球數十家天文機構舉辦新聞發佈會，共同宣佈於今年8月17日捕捉到由兩個品質分別為1.1和1.6個太陽品質的中子星併合所產生的引力波信號（GW170817），

該雙星系統位於距離我們約40兆秒差距的地方。本次引力波探測事件與伽瑪暴事件 GRB 170817A相關聯，首次證實了中子星—中子星併合與短伽瑪暴的相互關係。其後進行的電磁波對應體觀測以及電磁譜觀測，進一步證實了這是一個中子星碰撞事件。本次探測時間是人類第五次探測到來自宇宙的引力波信號[0]。

雙中子星合併藝術示意圖 Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science

根據理論預言[1]，有中子星參與的緻密星併合過程，除了釋放引力波，還會伴隨有電磁輻射。由於人類在對宇宙的電磁波探測上有更加成熟的技術和豐富的經驗，天文學家可以通過電磁波多波段的聯合觀測獲取更多資訊。本次引力波信號已經通過全球多家天文臺的觀測證實，

發現了其電磁波對應體。在LIGO、VIRGO觀測到信號後的幾秒之內，美國宇航局Fermi伽瑪射線衛星和歐洲INTEGRAL衛星都探測到了一個極弱的短時標伽瑪暴GRB 170817A。全球有幾十台天文設備對GW 170817開展了後隨觀測，確定這次的引力波事件發生在距離地球1.3億光年之外的編號為NGC 4993的星系中。這就意味著，從今以後，人類對引力波的探測再也不是“盲人摸象”了。

中子星與中子星併合

中子星是恒星演化到末期，

經由引力坍縮發生超新星爆炸之後，可能成為的少數終點之一。在其形成過程中，恒星遭受劇烈的壓縮，其組成物質中的電子併入質子轉化成中子，最終成為直徑只有十餘公里，品質卻有太陽數倍的緻密星體。中子星的密度極高，每立方釐米便可重達數十億噸。中子星的旋轉速度極快，由於其磁軸和自轉軸並不重合，磁場旋轉時所產生的輻射可能會以“一明一滅”的方式傳到地球，

有如人眨眼，因而被人類所觀測到，此時被稱作脈衝星[2]。

雙中子星併合過程研究和引力波探測的淵源，早在幾十年前就已埋下了種子。1974年，Russell Alan Hulse 和 Joseph Hooton Taylor, Jr. 利用305米口徑的阿雷西伯望遠鏡共同發現了第一對中子星 (Neutron Star pair) PSR J1915-1606 [3]。PSR J1915-1606S是一對在射電波段有週期性脈衝輻射的中子星—脈衝星。觀測結果顯示，這兩顆品質約為1.4太陽品質的脈衝星軌道週期約為3秒，其軌道直徑有逐漸收縮的趨勢。

愛因斯坦的廣義相對論曾預言，雙脈衝星的運動如果釋放引力波，將導致脈衝星到達近星點（類比於地球公轉的“近日點”）的時機有些微的提前。事實上，由於引力場的存在，PSR J1915-1606在經度上平均每年將其近星點提前4度。這一發現被認為是引力波存在的間接證據。1993年，Russell 和 Joseph 於1993年因為發現這一中子星對，且對它進行了大量後續分析被授予諾貝爾物理學獎。評審委員會認為，這兩位得獎者及其團隊發現了一種全新類型的脈衝星，並為研究廣義相對論提供了新的可能[4]。

PSR J1915-1606 軌道衰減曲線[3]

Russell 和 Joseph 的研究暗示著雙中子星對和引力波的相關研究大有可為。此後的若干年裡，科學家們在該領域做了不少工作：曹周鍵博士和潘奕博士等科學家曾在引力波理論模型EOBNR創建與數值相對論結論比對上做出重要貢獻[5]，為LIGO進行黑洞—黑洞併合過程的引力波探測提供了一定理論支援。而基於此前發現的雙中子星對的觀測結果，Shibata Masaru博士等人則進行了雙中子星併合模型的數值類比工作，並為本次雙中子星併合事件的觀測提供了一定的理論依據[6]。

中子星—中子星併合過程模擬及其對應引力波波形[6]

從併合過程和引力波探測來說，雙中子星對的併合包括旋進、碰撞、鈴宕三個過程，會產生相對應的引力波波形。在這一系列的併合過程中，大部分物質會成為新的中心天體（大部分是黑洞）的一部分，而剩下的物質要麼以碎屑或千新星（亮度約為新星的1000倍）的形式被拋射開去，要麼被中心黑洞吸引構成吸積盤[6]。總的來說，這一過程可能釋放引力波、產生千新星和短伽瑪暴。千新星和短伽瑪暴的餘輝還能產生可觀的電磁輻射。

中子星對碰撞後周圍環境的可能物質構成[6]

中子星對碰撞濺射產生碎屑盤的密度分佈[6]

千新星與短伽瑪暴

“千新星”的理論最早由李立新教授和Paczyński教授在1998年提出[7]，研究指出，緻密天體（如中子星）在相互旋進與併合時，將會有近似各向同性的富中子化物質拋射，通過快中子俘獲過程，這些拋射物能夠合成大量重元素，而重元素的衰變則會加熱拋射物，使其發出可觀的可見光與近紅外輻射，這種現象將如同超新星一樣，但持續時間較短。這種現象被稱為“李- Paczyński巨新星”。後續的研究指出，這種現象比超新星亮度更低，但其亮度大約可達新星的1000倍[8]，故而又被稱為“千新星”。2013年，英國天文學家首次通過HST對短伽馬射線爆GRB130603B的餘輝的觀測發現了巨新星的跡象[9]。

短暴或長短暴、引力波信號、巨新星信號的關聯性示意圖

長久以來，尋找中子星一度只有通過脈衝星這一種手段，直到後來，短伽馬射線暴被認為來源於雙中子星或黑洞-中子星併合[10]。我國的中國科學院紫金山天文臺領銜成立了國際工作組來系統分析處理了過去10年內的短暴的餘輝資料，從中成功發現了兩顆千新星[11][12]，並首次對巨新星與短暴/長短暴的關聯性進行了統計分析，發現每個短暴/長短暴很可能都伴隨著一個巨新星。這表明巨新星普遍存在，是引力波事件的極佳電磁輻射對應體[12]。與幾乎只能在極窄的噴流方向上才能探測到的短暴不同，引力波與巨新星信號可以在極寬的角度範圍內被探測到，因此巨新星與引力波事件的成協性將更為普遍。

(a) GRB 050709的光學輻射；(b) GRB 050709光學輻射扣除餘輝成分後留下的“奇異”信號與“中子星黑洞併合模型預期的巨新星輻射”的比較；(c) 2.5天處的“奇異”能譜與一個巨新星模型預言的比較[12]。

此次引力波事件，同時觀測到了對應的千新星事件與伽馬暴事件，印證了之前一連串的理論、觀測研究，無疑是令人振奮的。同時這也預示著，緻密星並和事件與引力波、千新星、短暴等事件將會有強烈的相關性，在今後的觀測中，可以相互作為指引，使得我們對相關事件的觀測更加高效、有針對性。

本次發現的意義非比尋常

金晶體 by Alchemist-hp from wikipedia

除了有助於研究重元素的生成機制，直接探測到中子星-中子星併合過程產生的引力波為科學家們帶來的益處要比探測雙黑洞併合產生的引力波來得多[14]。首先，中子星-中子星的併合過程可以伴隨電磁波對應體的觀測。儘管VITGO的加入讓當前引力波觀測在探測事件發生方位上精度提高了十倍，但較於有確定的電磁波對應體的精度仍有很大距離。電磁波對應體的精確定位，能夠讓科學家們瞭解雙子星對併合與周圍電磁場、星系介質等有更多的認識。另外，由於中子星是天然的超高密度天體，中子星對及其併合過程的研究對短伽瑪暴起源、超高密度物理等研究領域也大有裨益。

中國科學家做出貢獻[15]

AST3-2在8月18日觀測視窗期內引力波光學信號（紅色方框內）。

自北京時間2017年8月18日21:10起（即距離引力波事件發生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昆侖站運行的第2台望遠鏡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資料，並探測到此次引力波事件的光學信號（圖1）。這些資料揭示了此次雙中子星併合拋射出約1 %太陽品質（超過3000 個地球品質）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核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波的發現，證實了雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源地。

第二台南極巡天望遠鏡AST3-2

AST3-2是我國在昆侖站安裝的第二台南極巡天望遠鏡。其有效通光口徑50釐米，是南極現有最大的光學望遠鏡，並且完全實現了極端環境下的無人值守全自動觀測。目前，AST3-2主要進行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學對應體探測等天文研究。

今年是中子星發現50周年，本次引力波探測事件的發佈可說是錦上添花。從科學層面考量，這一事件的探測暗示著雙中子星併合事件的發生幾率比此前預計得可能更為樂觀。可以預見，對中子星併合事件的引力波探測和其它研究工作還將繼續，並在未來獲得更多令人可喜的科學成果。

參考文獻：

[0] B.P. Abbott et al., 2017,PRL 119, 161101

[1] Lattimer J M, Schramm D N. Black-hole-neutron-star collisions[J]. The Astrophysical Journal, 1974, 192: L145-L147.

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star 2017-10-16

[3] Hulse, R. A. and Taylor, J. H., 1975, AJ, vol. 195, pt. 2, p. 51-53

[4] https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/index.html Retrieved 2017-10-16

[5] Cao, Zhoujian, Galaviz & Li, Lifang, 2013, Physical Review D, vol. 87, Issue 10, id. 104029

[6] Masaru Shibata, 2016, Nuclear Physics, Section A, Volume 956, p. 225-232

[7] Li L X, Paczyński B. Transient events from neutron star mergers[J]. The Astrophysical Journal Letters, 1998, 507(1): L59.

[8] Metzger B D, Martínez-Pinedo G, Darbha S, et al. Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2010, 406(4): 2650-2662.

[9] Tanvir N R, Levan A J, Fruchter A S, et al. A" kilonova" associated with short-duration gamma-ray burst 130603B[J]. arXiv preprint arXiv:1306.4971, 2013.

[10] Nakar E. Short-hard gamma-ray bursts[J]. Physics Reports, 2007, 442(1): 166-236.

[11] Yang B, Jin Z P, Li X, et al. A possible macronova in the late afterglow of the long-short burst GRB 060614[J]. Nature communications, 2015, 6.

[12] Jin Z P, Hotokezaka K, Li X, et al. The Macronova in GRB 050709 and the GRB-macronova connection[J]. Nature communications, 2016, 7: 12898.

[13] 劉博洋《聽說整個天文界都嗨了！難道真的是因為這個？》，果殼科學人

[14] http://nautil.us/blog/what-the-rumored-neutron-star-merger-might-teach-us Retrieved 2017-10-16

[15] http://www.pmo.ac.cn/xwzx/xwdtkpdt/201710/t20171016_4874045.html 2017-10-16

作者：

唐弘銘，博士研究生，Jodrell Bank Centre for Astrophysics, Manchester, UK

何川，碩士研究生，國家天文臺

編輯：霧裡熊

近期熱門文章Top10

↓ 點擊標題即可查看 ↓

這兩位得獎者及其團隊發現了一種全新類型的脈衝星，並為研究廣義相對論提供了新的可能[4]。