专家解读首个来自双中子星并合的引力波

艺术家关于两个并合中的中子星的想象。窄束代表着伽马暴，而扭曲的时空网格标志着由并合产生的各向同性的引力波。旋转的物质团块是从并合的双星中抛射出的物质，可能导致了较低能量的电磁信号源。（来源：国家科学基金会/LIGO/索诺马州立大学/A. Simonnet

　　随着科学家宣布首次直接探测到了来自双中子星并合的引力波后，10月17日，清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组发布最新引力波探测和研究成果。

　　清华大学LIGO科学合作组织负责人曹军威向《中国科学报》记者介绍：“这标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件，这次发现打开了等待已久的多信使天文学的新窗口，引力波天文学为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。”

　　此次LIGO-Virgo的结果发表在《物理评论快讯》期刊上，由LIGO-Virgo和其他天文学家合作撰写的系列相关论文也已经被《天体物理杂志快讯》和《自然》接受。

　　发现双中子星系统

　　中子星是目前已知的最小、最致密的恒星，是大质量恒星在演化的最后阶段经过超新星爆发形成的。中子星直径约20千米，极其致密，一小勺中子星物质的质量可达10亿吨。

　　双中子星为广义相对论提供了极强的观测检验，包括支持引力波存在的第一个坚定证据。在LIGO发展的早期，双中子星并合被认为是引力波观测的首要目标。

　　清华大学LIGO科学合作组织成员范锡龙表示，LIGO的数据表明两个距离地球1.3亿光年的天体相互旋进，并且这个天体系统的质量没有双黑洞大。相反，这两个相互旋进的天体的质量估计为1.1～1.6倍太阳质量，恰好是中子星的质量范围。对于噪音背景的分析显示，这种强度的信号是由一致性随机噪音产生的，概率低于每8万年一次。

　　双中子星系统可以通过万有引力作用相互吸引和旋进，并发出引力波，在最终并合前的100秒以内发出的引力波信号正好位于激光干涉仪的灵敏频段内，因此有机会被观测到。

　　同时，中子星并合以后还会发出伽马光子，该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后的数天和数星期内，这场壮丽的并合事件仍会继续发出其他频段的光，或者说电磁信号——包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波。

　　观测引力波信号GW170817

　　2017年8月17日晚上8时41分（北京时间），一个被命名为GW170817的引力波信号被观测到。这次观测由两个相同的激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器完成，位于意大利比萨附近的室女座干涉仪（Virgo）探测器提供的信息可以提升引力波事件的空间定位能力。

　　来自英国格拉斯哥大学LIGO科学合作组织的Ik Siong Heng解释道：“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。由于这个信号在两个LIGO探测器中轻易可见，但Virgo却观测不到，这意味着信号来自天空中的某个位置，这一事实对于定位起到了至关重要的作用。”

　　据了解，LIGO和Virgo探测到4次来自双黑洞的引力波信号，在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间。然而，GW170817持续了100秒，并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同，科学家们可以识别这个天体源的质量远比迄今观测到的所有黑洞的质量都要小得多。

　　Ik Siong Heng说：“在GW170817的信号中，在两星并合前的大约100秒，它们相距400公里，却在每秒内绕了12圈。每转一圈，引力波的辐射迫使它们越发接近。随着轨道的收缩，它们速度越来越快，引力波的强度和频率也不断增加。轨道的逐渐收缩过程被称为‘旋近’，而频率的提升被称作‘啁啾’信号。这一过程逐渐加快直到双星并合而形成单个遗迹。”

　　打开多信使天文学新窗口

　　在引力波网络观测到GW170817信号后的1.7秒，命名为GRB170817A的伽马射线暴被费米伽马射线爆监视系统探测到。LIGO-Virgo团队的快速引力波探测分析，以及费米望远镜的伽马暴探测，启动了世界范围内的望远镜后继观测。

　　来自法国LAL Orsay Virgo合作组织的Sarah Antier说：“这是有史以来人类第一次同时观测到来自同一个天文文事件的引力波与电磁波，这展示了联合着引力波、电磁波和中微子的不同研究团队之间的合作的重要性，也标志着多信使天文学与时域天文学新时代的到来。”

　　在最初探测之后的几分钟内，全世界各地的望远镜就开始了忙碌的观测，其中不乏活跃的“中国背影”。我国第一颗空间硬X射线调制望远镜“慧眼”在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区，中国第二台南极巡天望远镜AST3-2探测到此次引力波事件的光学信号。

　　而清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组自2009年成为LIGO科学合作组织正式成员，参与了迄今为止的所有引力波发现并作出贡献，工作组近两年来在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面开展了算法设计、性能优化与软件开发等方面的工作。

　　曹军威说：“当前对于GW170817仍存在的两个最大的疑问。相关的电磁信号显示，双星系统中的至少一个物体是中子星，但并不表示两个都是，因此GW170817也有可能是一个中子星黑洞系统。然而，鉴于与已知中子星的质量相类似，我们仍然偏向这是双中子星系统的解释。另一个未解答的问题是GW170817并合之后变成了什么，有两种可能性：一种是变成已知最大的中子星，另一种是变成已知质量最小的黑洞，这些可能性都很诱人，这将会让我们继续开展研究。”

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